Расчет усилителя мощности. 5

Расчет усилителя мощности. 5

3. Разработка цифрового узла

3.1 Выбор схемы прибора

3.2 Принципиальная схема

3.3 Технические характеристики

3.4 Программная часть

3.5 Настройка частотометра

Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОУВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Кафедра электротехники

Курсовая работа

Проектирование усилительного устройства

Пояснительная записка

(ЭТ. 000000. 222. ПЗ)

Руководитель:

Меньшиков В.В.

______________

(подпись)

______________

(оценка, дата)

Разработала:

студентка гр. 23-6

Смирнова Д.А.

______________

(подпись)

______________

( дата)

Содержание

Задание на курсовую работу………………………………………………………….……..3

Реферат………………………………………………………………......................................4

Введение………………………………………………………………………………………6

1.Проектирование усилительного устройства………………………...................................7

1.2.Определение основных параметров усилителя……………………………………….7

1.3.Выбор схемы входного каскада………………………………………………………..8

1.4.Выбор и расчет усилителя напряжения………………………………………………..9

1.5.Выбор и расчет активного фильтра…………………………………………………….9

1.6.Выбор схемы и расчет усилителя мощности………………………………………….13

2.Проектирование источника питания……………………………………………………...16

2.1.Обоснование выбора схемы блока питания…………………………………………...16

2.2.Структурная схема блока питания……………………………………………………..17

2.3.Расчет и выбор стабилизатора………………………………………………………….17

2.4.Расчет выпрямителя с фильтром……………………………………………………….18

2.5.Расчет силового трансформатора………………………………………………………23

3.Разработка цифрового узла………….……………………………………………………..29

3.1.Выбор схемы прибора…………………………………………………………………..29

3.2.Принципиальная схема………………………………………………………………….30

3.3.Технические характеристики……………………………………………………………32

3.4.Программная часть……………………………………………………………………….32

3.5.Настройка частотометра…………………………………………………………………33

Заключение…………………………………………………………………………………….34

Библиографический список…………………………………………………………………..35

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Изм.

Лист

№ докум

Подп.

Дата

Разраб.

Смирнова

Проектирование усилительного устройства

Лит

Лист

Листов

Пров.

Меньшиков

СибГТУ группа 23-6

Н. конт

Утв.

Задание

Студентке группы 23-6 Смирновой Дарье Андреевне

на курсовую работу (КР)

по дисциплине “Промышленная электроника”

Тема курсовой работы: Проектирование усилительного устройства

Курсовая работа включает в себя три части:

Проектирование усилительной части устройства с активным фильтром и усилителем мощности.
Разработка цифрового узла, функционально связанного с усилительной частью.
Выбор и расчет блока питания всей схемы.

Руководитель:

Меньшиков В.В.

______________

(подпись)

______________

(оценка, дата)

Разработал:

студентка гр. 23-6

Смирнова Д.А.

______________

(подпись)

______________

( дата)

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Реферат

В данной курсовой работе рассмотрено проектирование усилительного устройства.

Произведено проектирование усилительного устройства и источника питания.

Пояснительная записка содержит 35 страниц текста, 14 рисунков, 5 использованных источника.

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Исходные данные

Усилительная часть

Вариант №42:

E_г=0,03 В

R_г=0,1 кОм

R_н=8 Ом

P_н =0,8 Вт

Тип фильтра - ФНЧ

Тип аппроксимации фильтра - Бесселя

Порядок фильтра-4

f_с=120 Гц

Руководитель: __________________

(подпись)

Задание принял к исполнению:

_______________________________

(подпись)

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

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 необходима, моделировать существующие технические решения.

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

Необходима 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.

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

1. Проектирование усилительного устройства

1.1 Структурная схема усилителя

Исходными данными для разработки усилителя являются: ЭДС источника сигнала - ; его внутреннее сопротивление - ; сопротивление нагрузки усилителя - ; мощность в нагрузки - ; 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 .

Практически :

=0,1*100=1 кОм.

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Действующее значение напряжения:

Общий коэффициент усиления:

>20, 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 возможно использование инвертирующего усилителя.

Так как , => выбираем инвертирующий операционный усилитель (ОУ).

Рисунок 1.2 – Инвертирующий усилитель напряжения на ОУ.

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

1.4 Выбор и расчёт усилителя напряжения

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

где К_и – коэффициент усиления УН

Входное сопротивление каскада:

R_вх=R₁ (причем в R₁входит также сопротивление источника сигнала).

кОм

R₂₌_5*1=5 кОм

Для уменьшения температуры дрейфа каскадную величину резистора R₃ выбираем равной:

R₃=(R₁·R₂)/(R₁+R₂);

R₃=0,82 кОм

1.5 Выбор и расчёт активного фильтра.

Фильтр – это электрические устройства, предназначенные для передачи сигналов в определенной области частот.

В зависимости от рабочей полосы частот фильтры разделяют на:

-фильтры низких частот (ФНЧ).

-фильтры верхних частот (ФВЧ)

-пропускающие полосовые фильтры (ППФ).

-заграждающие полосовые фильтры (режекторные).

Пропускающие полосовые фильтры – пропускают все сигналы, с частотами от f_н до f_в, здесь Δf= f_в- f_н-полоса пропускания.

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Фильтр Бесселя – применяется для передачи импульсных сигналов

Рисунок 1.3 – Фильтр Бесселя

Рассчитаем значения схемы Саллен-Кея по следующим формулам:

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

ФН Ч 4 порядка 1 звено:

;

1 звено: А = 4

Рассчитаем значения для 2-ого последовательно соединённого звена. Расчет проводится по тем же формулам. Коэффициенты b и c берём из таблицы 1, А = 4.

;

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

1.6 Выбор схемы и расчёт усилителя мощности.

Рисунок 1.5 – Усилитель мощности с ОУ

P_н=0,8 Вт

R_н=8 Ом

Расчетная мощность больше номинальной на величину потерь в эмиттерных резисторах

Напряжение источника питания

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Где для кремниевых транзисторов

Амплитуда тока коллектора транзисторов оконечного каскада

Среднее значение тока, потребляемого от источника питания:

Мощность, рассеиваемая на коллекторе выходного транзистора:

Выбор оконечных транзисторов проводим с учетом условий:

Возьмём пару транзисторов серии КТ502 , КТ503;

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Характеристики транзисторов серии КТ502 , КТ503

Ток базы равен:

Ток делителя равен:

Сопротивление делителя:

Сопротивление эмиттера:

Ток нагрузки:

По току нагрузки выбираем операционный усилитель:

К140УД6:

±U_П = 5-20 В;
±U_ВЫХ = 12 В;
R_H = 1 кОм;
К = 60 тыс.;
КОСС = 70 дБ;
I_П = 3 мА;

Рисунок 1.6 – Операционный усилитель К140УД6

Вывод: в результате расчёта мы определили основные параметры усилительной части устройства:

_{Подобрали
транзисторы, диоды смещения, ОУ и
рассчитали сопротивления.}

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

2. Проектирование источника питания

2.1 Обоснование выбора схемы блока питания

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

Расчёт 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 операционным усилителем, берут из справочника. Ток, потребляемый усилителем мощности, берут из расчёта усилителя мощности.

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

В современных блоках питания широко применяются стабилизаторы напряжения на интегральных микросхемах, обеспечивающие большие рабочие токи и высокий коэффициент

стабилизации при минимуме дополнительных навесных элементов. Поэтому в курсовой работе желательно использовать

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

интегральные стабилизаторы.

2.2 Структурная схема блока питания

Рисунок 2.1 – Схема принципиального цифрового частотомера с ЖК

2.3 Расчёт и выбор стабилизатора

Исходные данные для расчета стабилизатора напряжения: номинальное выходное напряжение - ; ток нагрузки - ; относительное отклонение напряжения сети в сторону понижения

где U₁ -напряжение сети, обычно принимают равным (0.1)

Поэтому .

Исходя из Uвых и Iвых выбираем стабилизатор:

Выбираем для операционного усилителя стабилизатор К142ЕH2с параметрами:

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

_; _;_;_; _;_. _{Определим минимальное входное напряжение стабилизатора:} _; _где - минимальное допустимое падение напряжение между входным и выходным напряжением трансформатора: С учётом возможного уменьшения напряжения в сети: _. - относительное отклонение напряжения сети в сторону понижения: для К142ЕH2 =8,75+4=12,75 В. . 2.4 Расчёт выпрямителя с фильтром Цель расчёта выпрямителя: определить переменные токи Iп и напряжения Uп всех обмоток трансформатора и, следовательно диаметры проводов: проводов обмоток число витков Wп в них, его мощность Pтр, выбрать выпрямительные диоды и найти ёмкость конденсаторов фильтров. В большинстве случаев в выпрямителях применяют простейшие фильтры в виде конденсаторов большой ёмкости:
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						18
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		18
Исходными данными для расчёта источника питания являются: - Uо, В – номинальное выпрямительное напряжение (в случае использования стабилизатора оно равно его входному напряжению); - Iо, А – ток нагрузки (Iо=Iвых+Iпот); - U1, В – номинальное напряжение сети; - fc, Гц – частота сети; - Кп – допустимый коэффициент пульсации (Кп=U01/U0, где U01 – амплитуда первой гармоники). Дано: U₀ =U_вх= 14,17В; I₀ = I_вых+I_пот=0,156+0,15=0,306 А U₁ = 220 В; F_с= 50 Гц; К_п = 10%; Расчёт 1 Выбираем вариант схемы выпрямителя: Берем мостовую схему рис. 16в по методическому пособию;
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						19
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		19
2 Определяем сопротивление трансформатора rтр, вентиля , и по их значения находим сопротивление фазы выпрямителя rв: , где: J – плотность тока в обмотках трансформатора (для трансформаторов до 100 Вт J=3…5 А/); B – магнитная индукция в сердечнике( принимаем В=1,1…1,3); - расчётный коэффициент равный 2…2,3. Ом; 3 Число фаз выпрямителя будет равно m=2. 4 Среднее значение тока через вентиль: Iов=Io/2; Iов=; 5 Амплитуда обратного напряжения на вентиле: ; В; По среднему току через вентиль Iов и амплитуде обратного напряжения выбираем диоды. Ток Iов должен быть меньше максимально допустимого среднего тока диода, указанного в справочнике: Выбираем диод Д2Б с параметрами: U_обр = 30 В; I_пр = 0,05 А;
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						20
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		20
Выбрав диоды, находим по справочнику прямое падение напряжения U_пр и по нему определяем сопротивление вентиля r1: r₁=U_пр/(3I_ов); r₁=1/(30,153)=2,18 Ом; 6 Внутреннее сопротивление выпрямителя: rв=2ri+rтр; rв=22,18+4,92=9,28Ом; 7 Определяет по формуле коэффициент А: A=(πIorв)/mUo; A=(3,140,3069,28)/(214,17)=0,315; По графикам (рис 18. в методическом пособии) находим вспомогательные коэффициенты
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						21
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		21
F_o=5,2; B_o=1,02; D_o=2,03; 9 Напряжение на вторичных обмотках: U2= BoUo; U2=1,02 14,17=14,45 В; 10 Ток вторичной обмотки: I2=(DoIo)/1,41; I2=(2,030,306)/1,41=0,44 A. 11 Действующее значение тока через вентиль: IВ=(DoIo)/2; IВ=(2,030,306)/2=0,31 A; 12 Габаритная мощность трансформатора: Pгаб=1.5Po, где Po=UoIo; a) Po=14,170,306=4,34 Вт ; b) Pгаб=1,54,34=6,51 Вт. 13 Составляющая тока первичной обмотки трансформатора: I1=nI2; где n – коэффициент трансформации n=U2/U1; U1 - номинальное напряжение сети; n=14,45/220=0,06; I1=0,060,44=0,03 А;
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						22
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		22
14 Определим ёмкость фильтра по формуле: ; 2.5 Расчёт силового трансформатора Заданными величинами при расчёте трансформатора являются напряжение всех обмоток, токи обмоток, и мощность трансформатора. Дано: U1=220 В; U2=14,45 В; Pгаб=6,51 Вт; I1=0,03 А; I2=0,44А Расчёт Определим составляющие, вызванные токами вторичных обмоток трансформатора I1(n)=InUn/U1; I1(2)=0,4414,45/220=0,03 А; 2 Определяем габаритную мощность трансформатора:
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						23
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		23
- КПД, значение которого мы определим по графику 19[1]; принимаем ; ; 3 По габаритной мощности трансформатора выбираем магнитопровод: Сечение стержня сердечника: ,см²; см². Из условия , с=(1…2)*а, где a – ширина стержня магнитопровода, с – толщина магнитопровода, находим ориентировочное значение ширины стержня: ; . Находим произведение сечения стержня сердечника на площадь окна: , где B – магнитная индукция для броневых трансформаторов B=1,3; J – плотность тока в обмотках (J=3); - коэффициент заполнения окна медью принимаем равным 0,25;
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						24
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		24
- коэффициент заполнения сталью площади стержня магнитопровода принимаем равным 0,95; Выбираем магнитопровод ШЛ20*20, с параметрами: ; ; ; ; ; ; . Рисунок 2.2 – Ленточный магнитопровод 4 Определяем число витков в обмотках: Определяем число витков в обмотках: ΔU₁=6,5% ΔU₂=11% Для первичной: Для вторичной: 5 Определим диаметры проводов обмоток трансформатора без учёта 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 =0,113(ПЭВ-1 диаметр с изоляцией D = 0,44), d₂=0,433(ПЭВ-1 диаметр с изоляцией D = 0,810).
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						26
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		26
Рисунок 2.3-Схема блока питания
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						27
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		27
Рисунок 2.4-Итоговая схема усилительного устройства
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						28
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		28
3. Разработка цифрового узла Задание: Вариант цифровой части 12 – цифровой частотометр Диапозон измерений 0 – 99 Гц Чувствительность 0,1 В Количество знаков индикатора 2 Вид цифрового индикатора ЖК 3.1 Выбор схемы прибора В настоящее время разработано большое количество электронных шкал и частотомеров, при разработке которых используются микросхемы разной степени интеграции. Зачастую это сложные устройства, насчитывающие несколько десятков микросхем. Эти конструкции довольно сложны для повторения из-за того, что в сложной схеме гораздо выше возможность допустить ошибку на всех этапах – от публикации до монтажа. Принципиальную схему частотомера можно предельно упростить, если построить ее на базе процессора PIC16F84 фирмы Microchip (http://www.microchip.com/). Этот процессор обладает высоким быстродействием, широкими 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.
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						29
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		29
3.2 Принципиальная схема Принципиальная схема частотомера - цифровой шкалы приведена на рис 6. Она состоит из: формирователя входного сигнала, выполненного на транзисторе VT1. Сигнал измеряемой частоты, поданный на вход J5, ограничивается, усиливается и подается на вход PIC процессора для измерения; центрального процессора U1, выполняющего функции измерения, расчета, преобразования, управления динамической индикацией и динамического опроса входных сигналов. Выводы J3 и J4 используются для выбора режима цифровой шкалы. Тактовая частота процессора определяется кварцевым резонатором Y1 и может изменяться в небольших пределах конденсаторами C3 и C4. Индикатора U2 для отображения частоты. микросхемы U3 – дешифратора позиции отображаемой цифры. Интегрального стабилизатора питающего напряжения U4. Напряжение питания частотомера величиной 8..12 вольт подается на выводы J1(+) и J2(-)
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						30
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		30

					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						31
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		31
3.3 Технические характеристики Максимальная измеряемая частота .………………30 Мгц Максимальное разрешение измеряемой частоты…1 Гц, Чувствительность по входу………………………….100 мВ Напряжение питания ………………………………. 8…12 В, Потребляемый ток………………………………….. 35 мА. 3.4 Программная часть Принцип работы описываемого прибора (как и других частотомеров) заключается: в подсчете пришедших на его вход импульсов за фиксированный промежуток времени. Секундный интервал отсчитывают с помощью программно opгaнизованных циклов, в течении которых выполняется динамическая индикация предыдущих показаний. По окончании счета получить значение измеренной частоты простым опросом регистров можно только из шестнадцатиразрядного таймера-счетчика и трехразрядного счетчика переполнений. Данные, находящиеся в восьмиразрядном предделителе извлекают методом досчета до переполнения. На вход предделителя подают одиночные импульсы и когда фиксируют его переполнение (во все разрядах - нули), вычисляют записанное в нем значение, равное 256 (FF) за вычетом числа поданных импульсов. После этого двоичное число, соответствующее измеренной частоте, преобразуют в двоично-десятичное, а затем - в код семиэлементного индикатора, при этом, в нем гасятся незначащие нули, и при следующем измерении это число выводится на табло.
					ЭТ. 000000. 222. ПЗ	Лист
						32
Изм.	Лист	№ документа	Подпись	Дата		32

3.5 Настройка частотометра

Правильно собранный частотомер с правильно запрограммированным PIC прsоцессором почти не требует настройки. Минимальная настройка заключается в подаче на вход частотомера эталонной частоты и подстройки конденсатора C3 до получения правильных показаний на индикаторе. При этом возможно потребуется корректировка емкости конденсатора C4.

ЭТ. 000000. 222. ПЗ

№ документа