Проектування блоку живлення постійного струму

УДК 621.38

 

Проект  трикаскадного пiдсилювача постiйного струму (ППС) з гальванічним зв'язком на біполярних транзисторах. Прокопенко К.О. - Курсовий проект. - Дубляни, Львівський НАУ, 2009. 20 текст. част., 12 джерел, 5 арк. графіч. част. формату А4.

 

Ключові слова: підсилювач, транзистор, конденсатор, резистор, частота, діод, зворотний зв'язок, напруга, струм, ємність, опір, вхідна характеристика, вихідна характеристика, коефіцієнт підсилення, еквівалентна схема, частотна характеристика, амплітудні значення.

 

У курсовому  проекті на основі вихідних даних  розроблені принципова електрична схема; вибраний тип транзисторiв, їх режими роботи на постійному струмі (U_0K, І_0К, І_0Б, U_0БЕ); розраховано номінали резисторів R_Г, R₁, R_K1, R_Е1, R₃, R₂, R_Е2, R_K2, R_ЗВ, R_Е3, R_K3, R_Н і вибрано їх тип; визначено коефіцієнт підсилення каскаду за напругою К_U на середній частоті робочого діапазону; складено еквівалентні схеми i розраховано частотну характеристику в діапазоні від 0,1f_Н до 3f_В та проведено побудову.

Розрахований  транзисторний стабілізований блок живлення постійних напруг компенсаційного типу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗМІСТ

 

ВСТУП  .4

1. Загальні поняття ....................................................................................5

1.1.     Типи підсилювачів.................................................................................6

2. Розрахункова частина  7

2.1. Попередній розрахунок підсилювача 7

1. Визначення коефiцiєнта пiдсилення напруги .7
2. Вибiр значення  вихiдного  опору та типу  вихiдного каскаду пiдсилювача 7
3. Вибiр значення вхiдного опору пiдсилювача 8
4. Вибiр кiлькостi пiдсилювальних каскадiв 8

2.2. Електричний розрахунок підсилювача 9

2.2.1.  Принципова електрична схема підсилювача 9

2.2.2. Вибiр транзистора 9

2.3.     Електричний розрахунок пiдсилювача постiйного струму…...10

3.        Проектування блоку живлення постійного струму…………...14

3.1.      Розрахунок стабілізованого джерела напруги компенсаційного типу………………………………………………………………………14

3.2.      Розрахунок випрямляча…………………………………………16

Висновок  ………………………………………………………………..19

Бібліографічний список...........................................................................20

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

Засоби електронної  техніки в наш час використовуються у всіх галузях народного господарства та сільськогосподарського виробництва. Це в свою чергу дає можливість розробити окремі пристрої та вузли електронної апаратури у вигляді уніфікованих стандартних блоків, що дозволяє автоматизувати процес проектування.

Характерною особливістю сучасної електронної техніки, являється поєднання раніше не зв'язаних областей науки та техніки, таких як фізика, мікроелектроніка, конструювання електронних пристроїв, обчислювальна техніка і т.д.

Метою даного курсового  проекту є: розрахунок резистивного каскаду попереднього зміщення на біполярному транзисторі, розрахунок і побудова частотної характеристики каскаду для заданих раніше даних, розрахунок транзисторного джерела живлення компенсаційного типу, побудова і розводка основних елементів схеми.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ЗАГАЛЬНІ ПОНЯТТЯ

В сучасній техніці використовується керування енергією, що дозволяє за допомогою невеликої кількості енергії керувати енергією, що є набагато більшою від керованої.

Форма, як керованої так  і керуючої енергії може бути різною: механічною, електричною, світловою і т.д.

Частотний випадок керування енергією при якому процес керування є плавним та одиночним, а керуюча потужність перевищує керовану.

Дуже широке використання в сучасній техніці мають підсилювачі, в яких як керуюча так і керована енергія являє собою електричну енергію.

Керуючі джерела, які електричні коливання  посилають на підсилювач - називають джерелом сигналу, а коло підсилення підсилювача, в які ці коливання вводяться - вихідним каналом чи виходом підсилювача.

Пристрій, що являється споживачем підсилених сигналів, називають навантаженням підсилювача або просто навантаженням.

Підсилювачі електричних сигналів використовуються в багатьох областях сучасної науки та техніки. Особливо широкого застосування підсилювачі знайшли в автоматиці, в апаратурі ядерної фізики, хімічного аналізу та багатьох інших пристроях.

 

 

 

 

1.1. Типи підсилювачів

Підсилювачі поділяються  на ряд типів за різними ознаками. По ряду підсилюючих сигналів підсилювачі можна розділити на дві групи:

• підсилювачі гармонічних сигналів, що призначені для підсилення передбачених сигналів різної величини та форми, гармонічні складові яких змінюються дуже повільно від тривалості процесів в підсиленнях;
• підсилювачі імпульсних сигналів, що призначені для підсилення непередатних сигналів.
• по ширині смуги і абсолютних значеннях підсилювачі частот поділяються на ряд типів :
• підсилювачі постійного струму чи підсилювачі постійно змінюючих напруг та струмів ;
• підсилювачі змінного струму , що підсилюють коливання частоти від нижньої до верхньої частоти коливання ;
• підсилювачі низької частоти, що характеризуються підсиленням гармонічних складових.

Виборчі підсилювачі підсилюють електричні сигнали в дуже вузькій смузі  частот.

Для підсилення напруги  звукових частот найчастіше використовується каскад з загальним емітером, так як він має більш високі вихідні і більш низькі значення опору з каскадом з загальною базою.

 

 

2. РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

2.1. Попереднiй розрахунок підсилювача

Попереднiй розрахунок пiдсилювача полягає у визначенні вiдсутнiх даних, необхiдних для вибору та обгрунтування електричної схеми пiдсилювача.

2.1.1. Визначення коефiцiєнта пiдсилення напруги

Початкове значення коефiцiєнта пiдсилення розраховують за формулою:

 

 

При застосуваннi повторювачiв доцiльно забезпечити запас пiдсилення напруги, збiльшивши К_U на 20...30 %. Нове значення коефiцiєнта пiдсилення розрахується за формулою:

 

 

 

де - коефiцiєнт пiдсилення повторювача, для емiтерного повторювача , для витiкового повторювача          .

2.1.2.  Вибiр значення  вихiдного  опору та типу  вихiдного каскаду пiдсилювача

Вихiдним опором пiдсилювача є вихiдний опiр його кiнцевого каскаду (без врахування ВЗЗ).

Якщо забезпечити то смуга пропускания, пiдсилення i вихiдний струм практично не залежатимуть вiд значно спростяться розрахунки кiнцевого каскаду.

Вихiдним опором пiдсилювальних каскадiв є опiр колекторного (стокового) резистора. Вiн повинен обмежувати струм через транзистор так, щоб пiкове значення струму не перевищувало , а саме:

 

або

 

 

Так як умова  виконується вибираємо вихiдний опiр

.

2.1.3. Вибiр значення вхiдного опору пiдсилювача

Для забезпечення незалежної глибини  зовнiшнього ВЗЗ вiд доцiльно вибрати:

 

 

Згiдно розрахунку, вибираємо тип пiдсилювача – пiдсилювач постiйного струму (ППС), диференцiйний пiдсилювач на бiполярних транзисторах ().

2.1.4. Вибiр кiлькостi пiдсилювальних каскадiв

Пiдсилювачi з меншим числом каскадiв бiльш стiйкi i малогабаритнi, але необхiдно пiдвищувати коефiцiєнти пiдсилення iнших каскадiв, що веде до пiдвищення i .

Кiлькiсть пiдсилювальних каскадiв слiд вибирати так, щоб їх було .

Слiд зауважити, що розподiл пiдсилення по каскадах при попередньому розрахунку є орiєнтовним i може змiнюватись при електричному розрахунку принципової схеми пiдсилювача. Отже вибираємо кiлькiсть каскадiв .

2.2. Електричний розрахунок підсилювача

2.2.1. Принципова електрична схема пiдсилювача

Принципова схема каскаду попереднього пiдсилення подана на рис.1.

Пiдсилювачi постiйного  струму (ППС) вiдрiзняються вiд пiсилювачiв змiнного струму тим, що нижня межа смуги пропускания вiдповiдає нульовому рiвню. Тому у багатокаскадних ППС ємнiсний або трансформаторний зв'язок використовувати не можна. Для з'єднання окремих каскадiв використовують тiльки гальванiчний зв'язок, тому їх ще називають пiдсилювачами з безпоcepeднiм зв'язком.

Чергування транзисторiв типiв p-n-p i n-p-n у пiдсилювачах cпрощує задачу узгодження рiвнiв напруги з'еднуваних каскадiв. Замiна опору стабiлiтроном VD (показано пунктиром) дозволяє збiльшити коефiцiєнт пiдсилення за напругою.

2.2.2. Вибiр транзистора

Транзистор вибирають  за трьома параметрами: верхньою граничною частотою , струмом спокою колектора , найбільшою допустимою напругою колектора .

Гранична частота передачі струму бази повинна більш ніж у п'ять раз перевищувати задану верхню частоту підсилювача :

 

Струм спокою колектора вибирається  з умови:

 

 

Напруга живлення пiдсилювача повинна бути вибрана виходячи iз значення найбiльшої допустимої напруги колектора, тобто менше .

Поставленi вимоги задовольняє транзистор КТ315Д. Його параметри:

 

 

 

2.3. Електричний розрахунок пiдсилювача постiйного струму

 

Наведемо розрахунок пiдсилювача, який забезпечує на навантаженнi . Необхiдний коефiцiєнт пiдсилення     в дiапазонi частот вiд 10 до 10 кГц.

У заданому дiапазонi частот для побудови пiдсилювача можна використати малопотужний транзистор КТ315Г з параметрами Для одержання напруги виходу достатньо взяти напругу живлення , що не перевищуе . Оскiльки при на виходi в точцi "а" потенцiал повинен дорiвнювати нулю, то i . Струм навантаження можна визначити: . Струм через опiр при поданні на базу транзистора VТЗ максимального запирального сигналу повинен перевищувати струм  навантаження  на величину (рис.3.а.). Якщо прийняти , тодi

 

 

Тоді у режимі спокою при ()

 

 

 

При подачі на базу транзистора  максимального вiдпирального сигналу (рис.3.б) струм через опір буде становити:

 

 

 

Струм транзистора VТЗ у  цьому режимі буде становити:

 

Вибираємо залишкову напругу на транзисторі VТ3 розрахуємо :

 

Відповідно, у режимі спокою при

 

 

Наведемо розрахунок першого i другого  каскаду. Якщо прийняти напругу , то спад напруги на опорі розрахуємо за формулою:

 

 

 

Оскільки струм навантаження другого каскаду дорівнює i є досить низьким, вибираємо .

Тоді .

Розподiл напруги мiж транзистором VТ2 i опором проведемо пiля розрахунку першого каскаду.

 У першому каскадi при  В напруга на базi транзистора VТ1 вiдносно землi практично рiвна нулю, оскiльки   i кОм добугок В. Тодi напруга на опорi    розрахується, як i при опiр . Для послаблення мiсцевого зворотного зв'язку за струмом, що створюється опором , увiмкнемо в емiтерну ланку пiдсилювача стабiлiтрон типу 2С530А з параметрами i . Оскiльки мiнiмальний струм стабiлiзацiї стабiлiтрона дорiвнює 1 мА, необхiдно ввiмкнути опiр , який розрахуємо за формулою:

 

 

 

Оскільки перший каскад працює з малими сигналами i для збільшення номіналу напругу транзистора VТ1 можна вибрати порядку 5 В.

Тоді

 

 

 

 

Спад   напруги    при 

 

Для зменшення глибини  місцевого від’ємного зворотного зв'язку через опір створимо спад напруги В за допомогою ввімкнення стабілітрона типу 2С524А (його параметри , Ом). Для створення  необхідного  струму  мА ввімкнемо у схему додатковий опір значення якого розрахуємо за формулою:

 

 

Коефіцієнт пiсилення підсилювача K_U розраховуємо за формулою:

 

 

Тут

 

 

 

 

 

 

 

При розрахунку прийнято ,

 

Тоді коефіцієнт підсилення буде становити:

 

Згідно із завданням коефіцієнт підсилення повинен становити 100. Тому доцільно ввести паралельний від'ємний зворотний зв'язок за напругою з глибиною:

 

 

При глибині зворотного зв'язку для вибору елементів ланки зворотного зв'язку можна використати спрощену формулу:

 

 

 

Якщо

3. ПРОЕКТУВАННЯ БЛОКУ ЖИВЛЕННЯ 
ПОСТІЙНОГО   СТРУМУ

Для нормальної роботи підсилювача  необхідно забезпечити стійку постійну напругу живлення. Для реалізації умови простого випрямляча змінної напруги недостатньо простого випрямлення, між останнім i підсилювальним пристроєм ставлять cтaбiлiзaтop напруги, який згладжує пульсації напруги живлення i тим самим забезпечує коректну роботу підсилювального пристрою.

Компенсаційний стабілізатор напруги — це керований дільник вхідної напруги, який складається з опору навантаження i регулювального елемента, що працює в лінійному (підсилювальному) режимі. Вихідна напруга стабілізатора прирівнюється з еталонною (опорною) i виникаючий при цьому сигнал неузгодженості підсилюється підсилювачем i впливає на регулювальний елемент стабілізатора таким чином, щоб вихідна напруга прагнула досягти еталонного рівня.

Теорія розробки блоків живлення детально наведена в [1].

Для прикладу розглянемо принципову схему компенсаційного стабілізатора напруги, наведену на рис.4.

3.1. Розрахунок стабілізованого джерела напруги компенсаційного типу

Вихідні параметри стабілізатора  наступні:

- нестабільність вхідної напруги ..………........................0,15

- нестабільність  вихідної напруги ..............................0,001

- вихідна  напруга  В.........................................................60

Максимальний вихідний струм  є сума струмів дільника i колектора, тобто:

 

або, враховуючи запас потужності блоку живлення, отримаємо

 

Вихідну напругу стабілізатора  вибираємо з умови:

 

або

 

 

Підставивши числа, одержимо:

 

Вибираємо значення вхідної  напруги з запасом:

 

Максимальна напруга емітер-колекторного переходу транзистора VT1 розраховується за формулою:

 

Транзистор VT1 виберемо аналогічно, як транзистор підсилювача марки КТ315Г. Для нього:

 

а

 

Виберемо  опорний стабілітрон з міркувань, що напруга на ньому повинна бути меншою мінімальної вихідної напруги  стабілізатора:

 

 

Вибираємо стабілітрон Д817А, так як його опорна напруга

 задовольняє  поставлену умову.

Тепер вибираємо транзистор VT2 задавшись  максимальною напругою колектор-емітер:

 

 

З міркувань технологiчної простоти виберемо транзистор аналогiчний попередньому - КТ315Г, який задовольняє поставлену умову .

Максимальний струм стабілітрона мА.

Задамось  мА , тодi:

 

 

У формулi (4.7) визначається за формулою:

 

Тепер розрахуємо опори дiльника :

 

 

Опiр R₄ визначаємо за формулою:

 

 

3.2. Розрахунок випрямляча

Випрямляч джерела живлення будується за cxeмою, яка наведена на рис.3. Трансформатор Т знижує напругу мережі до 80 В, діоди V1-V4, включені за мостовою cxeмою, випрямляють цю напругу, а конденсатор фільтра С_Ф згладжує його пульсації.

Навантаженням випрямляча є стабілізатор напруги живлення підсилювача, звідки маємо вихідні параметри для розрахунку випрямляча: ,

Знаючи струм навантаження, визначаємо максимальний струм, який протікає через кожний діод моста:

 

 

Для випрямляча можна використовувати  дiоди серiї Д7, Д226, Д229 iз будь-якими лiтерними позначеннями, оскільки їх середнiй випрямлений струм i зворотна напруга значно бiльшi розрахункових. Вибираємо дiоди Д226Б.

Зворотна напруга дiодiв повинна  бути в 1,5 раза бiльша напруги джерела  живлення:

 

Ємнiсть фiльтрувального конденсатора визначають за формулою:

 

де  – коефiцiєнт пульсацiй випрямленої напруги, приймаємо .

Номiнальну напругу конденсатора беремо рiвною 100 В.

Проведемо електричний  розрахунок трансформаторного блока живлення.

Габаритна потужність трансформатора:

 

 

де  - коефiцiєнт корисної дiї трансформатора, приймаємо

Площа поперечного перерiзу сердечника становить:

 

Як    бачимо,    у   даному    випадку   є     сенс    використовувати магнiтопровiд а мiнiмалною площею перерiзу сердечника, тому

приймаємо магнiтопровiд УШ20х20 (площу поперечного перерiзу приймаємо рiвною 4 см²).

Розраховуємо кiлькicть виткiв на 1 вольт:

 

де  - приймається рівним 40.

Загальна кількість витків первинної обмотки розраховується за формулою:

 

вторинної обмотки:     

Струм первинної обмотки розраховується за формулою:

 

Струм вторинної обмотки розраховується за формулою:

 

Виберемо для обох обмоток провiд ПЭВ-2. Дiаметр проводу первинної обмотки:

 

де  для обраного типу проводу.

Дiаметр проводу вторинної обмотки розрахується за формулою:

 

Таким чином, для первинної i вторинної обмоток трансформатора можна використовувати провiд дiаметром 0,1...0,3 мм.

ВИСНОВОК

В курсовому проекті ми розрахували i спроектували вapiaнт електронного пристрою, а саме трикаскадний пiдсилювач постiйного струму (ППС) з гальванiчним зв'язком на біполярних транзисторах.

В проекті вибрано типи транзисторів, вибрано режими роботи транзисторів по постійному струму, розраховано номіали oпopiв i вибрано їx типи, розраховано номінали конденсаторів i вибрано їx типи, визначено коефіцієнти підсилення по напрузі на середній частоті робочого діапазону, розроблено еквівалентні схеми каскаду i розраховано частотну характеристику каскаду в діапазоні від 0,lf_H до 3f_B та побудовано її.

Знаючи  напругу живлення підсилювача розраховано транзисторний стабілізований блок живлення постійних напруг компенсаційного типу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б1БЛЮГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК

 

1. Дмитрiв В.Т., Шиманський В.М. Електронiка i мiкросхемотехнiка. - Львiв: Афiша, 2004 - 175с.

2. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. - 8-е изд., перераб. -К.: Технiка, 1977. - 376 с.

3. Редзько К.В., Досычев А.Л. Сборник задач и упражнений по радиоприемным устройствам. – М.: Высш. шк._; 1981. - 296 с.

4. Скаржепа В.А., Новацкий А.А., Сенько В.И. Электроника и микроэлектроника: Лабораторный практикум. - К.: Высш.шк., 1989. 297с.

5. Терещук Р.М., Терещук К.М, Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя. - 4-е изд., стереотипное. — К.: Наук. думка, 1989. - 800 с.

6. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Графическое изображение электрических схем: Справочник. – К.: Техника, 1986. - 120 с.

7. Цыкина Л.В. Усилители. - М.: Связь, 1972. - 360 с.

8. Беляев С.В., Кабызев Г.Н. Усилительные устройства. – М.: МВГУ, 1977. - 98 с.

9. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1985. - 488 с.

10. Зубчук В.И., Сигорский В.П., Шкуро А.Н. Справочник по цифровой схемотехнике. - К.: Тэхника, 1990. - 448 с.

11. Скаржепа В.А. Луценко А.Н. Электроника и микросхемотех-ника. - Ч.1: Электронные устройства информационной автоматики К.: Выща. шк., 1989. - 431 с.

12. Расчет электронных схем. Примеры и задачи /Г.И. Изъюрова, Г.В. Королев, В.А. Терехов и др. - М.: Высш. шк., 1987. - 335 с.