Разработка усилителя мощности со стабилизированным источником питания
Рисунок 1 — Схема двухтактного выходного бестрансформаторного каскада с общим коллектором, работающим в режимах В, АВ с двумя источниками питания В двухтактном оконечном каскаде на комплементарных транзисторах с двумя источниками питания транзисторы включены по схеме с ОК (эмиттерные повторители) в режиме работы В или АВ. При отсутствии входного сигнала ток в сопротивлении нагрузки RН практически… Читать ещё >
Разработка усилителя мощности со стабилизированным источником питания (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Министерство образования Республики Беларусь Министерство образования и науки Российской Федерации ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Белорусско-Российский университет»
Кафедра «Электротехника и Электроника»
Курсовой проект по дисциплине
«Элементы электроники»
Тема работы:
«Разработка усилителя мощности со стабилизированным источником питания»
Разработал Исаченко В.И.
ст. гр. ЭОАР-073
Проверил к.т.н. Болотов С.В.
1. Анализ исходных данных
2. Разработка СЭП и источника питания
2.1 Выбор и расчет элементов усилительного каскада
2.2 Расчет источника питания
3. Разработка модели устройства
4. Результаты моделирования Заключение Список использованных источников Приложение А.
Приложение В.
Электроника— понятие, включающее в себя, в:
1. Физике — область, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами в вакууме, газах, жидкостях и твердых телах.
2. Технике — электронные приборы и устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями и используется для преобразования электромагнитной энергии (например для передачи, обработки и хранения информации). Наиболее характерные виды таких преобразований: генерирование, усиление, приём электромагнитных колебаний с частотой до Гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений (— Гц). Возможность таких преобразования обусловлена малой инерционностью электрона.
В данной курсовой работе нам необходимо спроектировать усилитель мощности. Под усилителем понимают устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала. Данные устройства широко распространены и могут применяться в различной технике. Наибольшее распространение усилители получили в звуковой технике.
1. Анализ исходных данных
Под усилителем мощности понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка RH и мощность PH, рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков-сотен Вт. Поэтому мощные каскады, как правило, бывают выходными — оконечными. В качестве нагрузки могут выступать различные исполнительные устройства систем управления (например, обмотки реле, электродвигатели).
Усилители мощности могут быть однотактными и двухтактными. Однотактные усилители чаще применяют при относительно малых выходных мощностях (до 3…5 Вт). Как правило, в однотактной схеме транзистор работает в режиме А, в двухтактных схемах — в режимах АВ или В.
Усилители мощности подразделяются на трансформаторные и бестрансформаторные. Несмотря на то, что трансформаторы характеризуются незначительными потерями энергии и позволяют оптимизировать условия работы усилительного элемента, при которых обеспечиваются необходимая выходная мощность, высокий КПД и низкий уровень нелинейных искажений, тем не менее они сравнительно редко применяются в транзисторных и особенно в аналоговых микросхемах, так как при их использовании увеличиваются габаритные размеры, масса и стоимость усилителя.
Все бестрансформаторные двухтактные схемы можно разделить на две группы: с одним или двумя источниками питания и с управлением от однофазного или от парафазного напряжения.
Анализируя данные структуры усилителей и параметры, указанные в задании на курсовую работу выбираем схему двухтактного выходного бестрансформаторного каскада с общим коллектром, работающим в режимах В, АВ с двумя источниками питания. Схема такого каскада представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 — Схема двухтактного выходного бестрансформаторного каскада с общим коллектором, работающим в режимах В, АВ с двумя источниками питания В двухтактном оконечном каскаде на комплементарных транзисторах с двумя источниками питания транзисторы включены по схеме с ОК (эмиттерные повторители) в режиме работы В или АВ. При отсутствии входного сигнала ток в сопротивлении нагрузки RН практически отсутствует, так как не-большие начальные токи, протекающие через транзисторы VT1 и VT2, взаимно вычитаются. При подаче входного сигнала на базы обоих транзисторов один из транзисторов в зависимости от фазы сигнала закрывается, а открытый транзистор работает как усилительный каскад, собранный по схеме с ОК. Следовательно, выходной сигнал Ukm на сопротивлении нагрузки Rн практически равен входному, а усиление мощности достигается за счет усиления тока Iэm. Во время другого полупериода открытый и закрытый транзисторы меняются местами.
2. Разработка СЭП усилителя мощности и источника питания
2.1 Выбор и расчет элементов усилительного каскада
При расчете усилителя мощности обычно заданы мощность PH и сопротивление RH.
Таблица 1 -Исходные данные к курсовой работе
Наименование параметра | Значение | ||
Выходная мощность усилителя РН, Вт | |||
Сопротивление нагрузки RН, Ом | |||
Входное напряжение источника питания Uвх, В | |||
Частота напряжения источника питания fc, Гц | |||
Схема выпрямления | Однофазная мостовая | ||
Коэффициент пульсаций kП вых | 0,02 | ||
Коэффициент стабилизации kст | |||
Допустимое относительное изменение напряжения источника питания дUвх, % | — 25…15 | ||
Высшая температура окружающей среды t°срmax, °С | |||
Низшая температура окружающей среды t°срmin, °С | — 5 | ||
Рабочий диапазон частот | fН, кГц | 0,1 | |
fВ, кГц | |||
Допустимые коэффициенты частотных искажений | МН | 3,5 | |
МВ | 3,2 | ||
Начнем расчет с определения значения мощности, которую должны выделять транзисторы, и составляющие коллекторного тока и напряжения:
P 1,1 Рн (2.1)
P49,5=50 Вт
P 50 Вт
(2.2)
(2.3)
Далее выбираем напряжения источников питания.
(2.4)
Ек -?35 В
UOCT — напряжение, отсекающее нелинейную часть выходных характеристик транзистора в области малых коллекторных напряжений (UOCT ~0,3—-1,5 В).
Затем выбираем транзисторы. Выбираем транзисторы по предельным параметрам:
(2.5)
(2.6)
(2.7)
(2.8)
Принимаем транзисторную коллекторную пару КТ816г и КТ817г со следующими параметрами:
UКЭдоп = 80 В — максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер
IК доп =3 А — максимально допустимый постоянный ток коллектора РКдоп= 25Вт — максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора (с теплоотводом)
t°nep max = 125 °C — максимальная температура коллекторного перехода
fгp = 3МГц — граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером
= 25 — статический коэффициент Определим параметры входной цепи. Ток смещения базы Ioб, соответствующий найденной рабочей точке О, при наихудшем транзисторе, имеющем вmin, и амплитуда переменной составляющей входного тока Iбм рассчитываются как:
(2.9)
(2.10)
Входное напряжение для схемы с ОК, не обеспечивающей усиления по напряжению, определяется:
(2.11)
(2.12)
Входная мощность сигнала, требуемая для получения заданной мощности в нагрузке, составляет:
(2.13)
Далее рассчитаем коэффициент усиления по мощности:
(2.14)
Потребляемая каскадом потенциальная мощность:
(2.15)
(2.16)
Коэффициент полезного действия каскада:
(2.17)
Затем производим расчет сопротивления каскада:
(2.18)
(2.20)
(2.21)
По ряду Е12 определяем значения резисторов:
Входное сопротивление каскада.
С учетом делителя подачи смещения при включении с общим коллектором определяется:
(2.22)
Определение уровня нелинейных искажений.
Для оценки уровня нелинейных искажений используют сквозную динамическую характеристику каскада, которая строится с помощью семейства статических выходных и динамической входной вольт-амперной характеристик транзистора. На графике семейства статических выходных вольт-амперных характеристик устанавливается зависимость входного тока (тока базы) от выходного (тока коллектора) в точках пересечения семейства статических выходных вольт-амперных характеристик с нагрузочной прямой переменного тока. Затем с помощью динамической входной вольт-амперной характеристики определяются значения входных напряжений по найденным значениям тока базы и вычисляются значения ЭДС генератора, который имеет внутреннее сопротивление Rp (выходное сопротивление предыдущего каскада)
(2.23)
(2.24)
;; В
(2.25)
(2.26)
(2.27)
(2.28)
Рисунок 2 — Сквозная характеристика
Er max=60,5В; I'км=2,6A
Er ср=34,02В; I'ср = 2,45A;
Er min. =7,54В; Iк min = 1,3A.
Рассчитаем коэффициент гармоник двухтактного каскада в режиме АВ с учетом асимметрии плеч находим Iкм, I1, Iок, I2, Iк min при b= 0,1. .0,15, где b — коэффициент асимметрии транзисторов:
Iкм=(1+b)I'км =(1+0,1) · 2,6=2,86 А (2.29)
I1=(1+b)I1 =(1+0,1) · 2,45=2,695 А (2.30)
Iок=2bIк min =2· 0,1·1,3=0,26 А (2.31)
I2=-(1-b)I1 = -(1−0,1)· 2,45= -2,205 А (2.32)
Iкmin= - (1-b)Iкм = - (1−0,1)· 2,6= - 2,34 А (2.33)
Далее определяем амплитуды гармоник тока коллектора:
(2.34)
(2.35)
(2.36)
(2.37)
(2.38)
Коэффициент гармоник для схемы ОЭ:
(2.39)
При включении же с общим коллектором отрицательная обратная связь снизит коэффициент гармоник до величины:
(2.40)
По условию Кг = 1,5%, поэтому это значение нас удовлетворяет.
Определим емкость разделительного конденсатора:
(2.41)
По ряду Е12 округляем до Ср = 2,2 мкФ Определим площади дополнительного теплоотвода (радиатора), транзистор охлаждающего:
(2.42)
F' -коэффициент теплоотдачи (F' = (1,2… 1,4)* 10-3 Вт/см2 град);
t°nep max максимальная температура коллекторного перехода (t°nep max (Ge) = 90…100°С,
t°neрmax(Si)-150…200°C)
t°Cp max — максимально возможная температура окружающей среды;
RtПК — величина теплового сопротивления транзистора.
RtПК? 1,5град/Вт при Pкдоп? 12 Вт
RtПК? 3град/Вт при Pкдоп? 30 Вт
RtПК? 5…10град/Вт при Pкдоп > 30 Вт
Pk — мощность, выделяемая в транзисторе (Pкв?0,5Р; PкАВ?0,7P)
Вывод: В результате расчетов была принята схема двухтактного выходного каскада на составных транзисторах с двухполярным источником питания. Для нормальной работы усилителя принимается напряжение источника питания Ек = 35 В. При выборе транзисторной пары (КТ816г и КТ817г) учитывалось, что транзистор должен быть комплиментарным, т. е. с противоположными типами проводимости и одинаковыми параметрами. Далее был произведен расчет параметров усилителя: Кр = 22,43; КПД = 66%; Рвх = 2,006 Вт; Р0 = 74,01 Вт; RBX = 333 Ом. Данная схема обеспечивает коэффициент гармоник = 1,2%, при сопротивлении генератора Rг = 333 Ом.
2.2 Расчет источника питания
Согласно заданию выбираем однофазную мостовую схему выпрямления. По таблице 2 определяются ориентировочные значения параметров вентилей Uобр, Iпр. ср, Iпр, а также полная мощность трансформатора Sтр.
Для ориентировочного определения этих параметров следует задаться значением вспомогательных коэффициентов B и D. Для мостовой схемы B = 0,95…1,1; D = 2,1…2,2.
Таблица 2 — Основные параметры выпрямительных схем
Наименование параметра | Схема выпрямления | ||
однофазная мостовая | |||
Трансформатор | Напряжение вторичной обмотки U2 | BU0 | |
Действующий ток вторичной обмотки I2 | 0,707 DI0 | ||
Действующий ток первичной обмотки I1 | 0,707 DI0/kтр | ||
Полная мощность трансформатора Sтр | 0,707 BDP0 | ||
Диод | Обратное напряжение на диоде Uобр макс | 1,41 BU0 | |
Среднее значение тока диода Iпр ср | 0,5 I0 | ||
Действуэщее значение тока диода I пр | 0,5 DI0 | ||
Амплитудное значение тока диода I пр mакс | 0,5 FI0 | ||
Пульсации | Частота основной гармоники | 2 fс | |
Коэффициент пульсации kп % (здесь С — мкФ) | 100 Hp / (Rф .C) | ||
(2.43)
(2.44)
Параметры трансформатора:
(2.45)
(2.46)
(2.47)
(2.48)
Параметры диодов:
(2.49)
(2.50)
(2.51)
Выбираем тип вентилей. При этом необходимо выполнить условия:
; (2.52)
; (2.53)
. (2.54)
Выбираем диоды 1N5401 со следующими параметрами:
Сопротивление вентилей в прямом направлении:
(2.55)
Определяем активное сопротивление обмоток трансформатора:
(2.56)
Индуктивность рассеяния обмоток трансформатора:
(2.57)
где — коэффициент, зависящий от схемы выпрямления (для двухполупериодной схемы со средней точкой; для мостовой схемы);
p — число чередующихся секций обмоток (если вторичная обмотка наматывается после первичной (или наоборот), p=2; если первичная обмотка наматывается между половинами вторичной обмотки p=3).
Определяется угол ц, характеризующий соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя:
(2.58)
где nв — количество последовательно включенных и одновременно работающих вентилей (nв=1 — для схемы со средней точкой; nв=2 — для мостовой схемы).
Находим основной расчётный коэффициент:
(2.59)
где m — число фаз выпрямителя, m=2.
По найденному значению A и углу ц определяются вспомогательные коэффициенты B, D, F (приложение В) и по таблице 2 находятся необходимые параметры трансформатора и вентиля: U2, I2, S2, I1, S1, Sтр, Uобр, Iпр.ср, Iпр, Iпрmax. Проверяется правильность выбора вентилей.
В=1,35
D=1,9
F=4,8
H=1400
Уточняем параметры:
Параметры трансформатора:
(2.60)
(2.61)
(2.62)
(2.63)
Параметры диодов:
(2.64)
(2.65)
(2.66)
Рассчитаем сглаживающий фильтр:
(2.67)
где 0.67 коэффициент сглаживания мостовой схемы.
Определим Rф:
(2.68)
Rф?7,38Ом Далее определим Cф:
(2.69)
Так как kcг > 25 рекомендуют использовать многозвенные LC-фильтры. При этом коэффициент сглаживания каждого звена kcг зв=.
(2.70)
Выбираем стабилизатопр напряжения LM317AH:
Определяется:
(2.71)
Определяется величина балластного сопротивления:
(2.72)
3. Разработка модели устройства
электроника физика усилитель мощность каскад Моделирование устройств в электронике имеет свои особенности, обусловленные характерными свойствами используемых полупроводниковых приборов и других элементов схем.
Пакет прикладных программ Multisim имеет более широкие возможно-сти по сравнению с пакетом Workbench. Пакет Multisim предназначен для моделирования как простых, так и достаточно сложных электрических цепей. Он позволяет проводить дополнительные исследования цепей с помощью различных приборов.
Моделирование нашего усилителя начнем с источника питания. Для этого в базе элементов Multisim выбираем источник переменного синусоидального напряжения, диоды для диодного моста, катушки индуктивности и конденсаторы для сглаживающего фильтра, стабилизатор напряжения.
Затем начинаем собирать усилитель. Выбираем в базе транзисторы, сопротивления для обеспечения необходимого смещения и емкости, служащие в качестве разделительных конденсаторов. В качестве нагрузки будем использовать сопротивление номиналом 12 Ома.
Для анализа данных будем использовать двухканальный осциллограф, подключаемый к источнику входного сигнала и к выходу на нагрузке. В качестве источника входного сигнала будем использовать функциональный генератор, который будет подавать на схему сигнал синусоидальной формы.
Для отслеживания величины тока будем использовать мультиметр, подключенный в разрыв между выходом усилителя и нагрузкой. Для измерения нелинейных искажений будем использовать измеритель нелинейных искажений.
4. Результаты моделирования
Осциллограммы напряжений в контрольных точках:
Рисунок 3 — Осциллограммы напряжений Напряжение на выходе источника питания равно 35 В.
Значение токов и напряжений при максимальном напряжении:
Iвых = 2,146А
Uвых = 25,74 В Значение токов и напряжений при номинальном напряжении:
Iвых = 2,056А
Uвых = 24,672 В Рисунок 3 — Осциллограмма работы сглаживающего фильтра и источника питания Анализируя результаты моделирования приходим к выводу, что усилитель очень хорошо работает при номинальном напряжении источника питания, выдает необходимый ток нагрузки, но имеет чуть больший коэффициент нелинейных искажений равных 1,578% (по заданию задано 15%). Источник питания выдает необходимое напряжение и имеет минимальные пульсации равные 0,023.
При моделировании усилителя на повышенном напряжении источника питания усилитель выдает очень небольшие нелинейные искажения.
Делаем вывод, что усилитель реализовать, исходя из данных задания и расчетов, нам удалось.
Заключение
.
В ходе выполнения курсовой работы был разработан усилитель мощности на 45 Вт, был проведен полный расчет всех элементов усилителя, был рассчитан и спроектирован источник питания, сглаживающий фильтр. На основании всех этих расчетов было произведено моделирование спроектированного устройства и произведен анализ его работы.
Список использованных источников:
1. Гершунский Б. С. Расчет электронных схем.- Москва.-122с.
2. Москатов Е. А. Полупроводниковые приборы. — М.: Журнал «Радио», 2005.-205с.ил
3. Горюнов Н. Н, Клейман А. Ю. — Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. — М.:Энергия, 1979,744с.ил
Приложение А
Выходные и входные характеристики транзисторов КТ816г и КТ817г
Приложение В
Зависимости коэффициентов B, D, F, H от А