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: 

  Определяем  коэффициент А. Вспомогательные  коэффициенты В_о, D_о, F_о находим по графикам на рис. 
 

  Рис.   – Коэффициенты для выпрямителя  с емкостным фильтром 
 
 
 
 

Напряжения  на вторичных обмотках: 
 

  Ток вторичной обмотки: 

  Действующее значение тока через вентиль: 

  Габаритная  мощность трансформатора: 
 
 
 

  Составляющая  тока первичной обработки трансформатора: 
 

  U₁ - номинальное напряжение сети. 
 
 

  Расчет  силового трансформатора

  Заданными величинами при расчете трансформатора являются напряжение всех обмоток, токи обмоток, и мощность трансформатора.

  Дано: 
 
 
 
 
 
 

    Определяем  габаритную мощность трансформатора: 

    Где η – КПД, значение для маломощного  трансформатора выбираем по рис.          

    И равный: η = 0,75. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис.     – КПД трансформатора 

По габаритам  мощности трансформатора выбираем магнитопровод:

Сечение стержня сердечника: 

Из условия где - ширина стержня магнитопровода, с – толщиной магнитопровода, находим ориентировочное значение ширины стержня: 
 
 

       Находим произведение сечения стержня сердечника на площадь окна: 

   Где:

   В - магнитная индукция для броневых трансформаторов В =1,3;

   I – плотность тока в обмотках

   К_м – коэффициент заполнения сталью площади стержня магнитопровода принимаем равным: 0,95. 

  Выбираем  магнитопровод ШЛ 12*25. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис.       – Ленточный магнитопровод 

  Параметры магнитопровода: 
 
 
 
 
 
 

             Определяем число  витков в обмотках: 
 

             Для первичной обмотки: 
 

              Для вторичной обмотки: 

           Определим диаметры проводов обмоток трансформаторов  без учета толщины изоляции по действующему значению тока в обмотке  n и заданной плотности тока J: 
 

  Полученные  значения диаметров округляем до ближайших  стандартных и выбираем марку обмоточных проводов, указывая его диаметр с изоляцией:

  d₁=0.090 (ПЭВ – 1 диаметр с изоляцией D=0.115);

  d₂=0.180 (ПЭВ-1 диаметр с изоляцией D=0.210)/  

     Проектирование  источника питания 

     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.

     . Структурная схема блока питания 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис.      Схема принципиального цифрового  частотомера с ЖК

Разработка  цифрового узла

Выбор схемы прибора 

     Принципиальную  схему частотомера можно предельно  упростить, если построить ее на базе процессора PIC 16F84 фирмы Microchip. Этот процессор обладает высоким быстродействием, широким функциональными возможностями. Встроенное энергонезависимое запоминающее устройство позволяет записывать и оперативно изменять величину промежуточной частоты цифровой шкалы.

     В этом случае вся работа по измерению, преобразованию и динамической индикации перенесена на программное обеспечение, а аппаратная часть содержит всего две микросхемы.

Принципиальная  схема 

     Принципиальная  схема частотомера - цифровой шкалы  приведена на рис. 14. Она состоит  из:  

• формирователя входного сигнала, выполненного на транзисторе  УТ 1.

     Сигнал  измеряемой частоты, поданный на вход J5, ограничивается, усиливается и подается на вход PIC процессора для измерения;

• центрального процессора Иl, преобразования, управления динамической индикацией и динамического опроса входных сигналов. Выводы 13 и J4 используются для выбора режима цифровой шкалы. Тактовая частота процессора определяется кварцевых резистором У 1 и может изменяться в небольших пределах конденсаторами СЗ и С4;
• индикатора И2 для отображения частоты;
• микросхемы ИЗ - дешифратора позиции отображаемой цифры;
• интегрального стабилизатора питающего напряжения И4. Напряжение частотомера величиной 8 ... 12 вольт подается на выводы Jl (+) и J2( - ).

Заключение 

     В результате расчета мы проектировали  усилитель, источник питания, подобрали  по исходным данным схему цифрового  устройства.

     Применяли в устройствах цифровые элементы: стабилизаторы напряжения, операционные усилители. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Библиографический список 

1. Промышленная  электроника [Текст]: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов очной и заочной форм обучения специальностей 220301, 050501, 230100, 2301 051В.В. Меньшиков - Красноярск: СиБГТУ, 2009. - 52 с.
2. Лурье М.С. Промышленная электроника. Аналоговые устройства промышленной электронике [Текст]: учебное пособие к курсовому проектированию для студентов специальностей 210201, 210214, 030528, 540459. Красноярск: КГТ А, 1996. - 180 с.
3. Промышленная электроника [Текст]: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальностей и направлений 2103, 5502, 0305 дневной и заочной формы обучения. - Красноярск: КГТ А, 1995.-48с.
4. Яркова С.А. Рекомендации к написанию курсовых работ: Методические указания для студентов специальностей 022900 (031202) «Перевод и переводоведение», 260200 (250303) «Технология деревообработки» всех форм обучения [Текст]/С.А. Яркова, С.Н. Баринова, С.В. Трапезников - Красноярск: СиБГТУ, 2006. - 48 с.

     1.3.3 Программная часть 

     Предлагается  конструкция простого частотомера  на микроконтроллере PIC 16F84A. Рабочий  диапазон 0-9999 кГц, однако, путем минимальных изменений в программе (выбор интервала счета) его можно перестроить на любой диапазон до 50 МГц - это ограничение связано с быстродействием счетного входа микроконтроллера. При необходимости можно использовать предделитель на быстодейстующей цифровой микросхеме.

     Схема очень проста, необходимые комментарии  даны на рисунке и в тексте программы. Транзисторы использованы KT315, диоды  КД522. Частота измеряется два раза в секунду, это облегчает чтение показаний при плавании частоты, и в то же время не задерживает  работу при перестройке измеряемой частоты. По сравнению с другими  конструкциями, в данной отсутствует мерцание дисплея, так как показания обновляются очень часто.

     Резистор  и диоды на входе частотомера  ограничивают входной сигнал, дроссель в цепи коллектора компенсирует спад усиления на высоких частотах, для измерения низких частот его ставить не нужно. При включении питания частотомер отображает 8888 в течение 0.5 с, затем переходит в режим измерения. Частота измеряется два раза в секунду в течение 0.001 с, в остальное время измеренная частота отображается на дисплее. Для измерения частоты используется предделитель (он устанавливается на 256) и таймер микроконтроллера, таким образом после окончания измерения таймер содержит старший байт частоты, а предделитель - младший байт. Поскольку прямое обращение к предделителю невозможно, его содержимое извлекается путем программной подачи импульсов на вход и подсчета их количества, необходимого для переполнения предделителя. Двухбайтное шестнадцатеричное число преобразуется в четырехбайтное двоично-десятичное, потом разряды преобразуются в 7-сегментный код и отображаются на дисплее.

     Программа скомпилирована в среде MicroChip MPLAB и записана в микроконтроллер с помощью самодельного простейшего программатора

     .10М и бесплатной программы IC-Prog.  
 
 
 
 
 
 
 

Задание

Студентке группы 03-05 Сериковой Олеси Юрьевны

на  курсовую работу (КР)

по дисциплине "Промышленная электроника"

Тема  курсовой работы: Проектирование усилительного устройства

Курсовая  работа включает в себя три части:

1. Проектирование усилительной части устройства с усилителем мощности.

2. Разработка цифрового узла, функционально связанного с усилительной частью.

3   Выбор и расчет блока питания всей схемы.

Руководитель:

____________В.В.Меньшиков (подпись)

_________________________оценка, дата)

Разработала:

Студентка гр. 03 05 ___________ О. Ю. Серикова