Разработка СЭП и источника питания

                                                                                                                                       3

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..4

1 Анализ исходных данных…………………………………………….…………..5

2 Разработка СЭП и источника питания……………………….………………….7

2.1 Выбор и расчет элементов усилительного каскада……………..…..………..7

2.2 Расчет источника питания…………………….…………………………...….14

3 Разработка модели устройства………………………………………………….19

4 Результаты моделирования…………………………………………….………..20

Заключение…………………………………………………………………………22

Список  использованных источников……………………………………………..23

Приложение  А. …………………………………………………………………….24

Приложение  В. …………………………………………………………………….25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                       4 

       Введение.

       Электроника представляет собой бурно развивающуюся отрасль науки и техники. Она изучает физические основы и практическое применение различных электронных приборов. К физической электронике относят: электронные и ионные процессы в газах и проводниках. На поверхности раздела между вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электронике относят изучение устройства электронных приборов и их применение. Область посвященная применению электронных приборов в промышленности называется промышленной электроникой.

       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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                     5

     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,

   

 

 

      6

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 небольшие 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.

 

 

 

        7

        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		40
Сопротивление нагрузки RН, Ом		20
Входное напряжение источника питания Uвх, В		220
Частота напряжения источника питания fc, Гц		50
Схема выпрямления		Однофазная мостовая
Коэффициент пульсаций kП вых		0,04
Коэффициент стабилизации kст		10
Допустимое относительное изменение  напряжения источника питания δUвх, %		-20…20
Высшая температура окружающей среды t°срmax, °С		40
Низшая температура окружающей среды t°срmin, °С		10
Рабочий диапазон частот	fН, кГц	0,08
	fВ, кГц	10
Допустимые коэффициенты частотных  искажений	МН	3,7
	МВ	3

 

 

        Начнем расчет с определения  значения мощности, которую должны  выделять транзисторы, и составляющие  коллекторного тока и напряжения:

 

P ³ 1,1 Р_н                                                      (2.1)

P³1,1·40=44 Вт

P ³ 44 Вт

 

 

 

 

     

 

                                   8 
                                                                

                                     (2.2)

 

                                                

                                          (2.3)

        Далее выбираем напряжения  источников питания.

,                                    (2.4)

Е_к -≈44 В

          U_OCT - напряжение, отсекающее нелинейную часть выходных характеристик транзистора в области малых коллекторных напряжений (U_OCT ~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 КТ818ГМ и КТ819ГМ со следующими параметрами:

 U_КЭдоп = 90 В - максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер  
           I_{К доп} =15 А - максимально допустимый постоянный ток коллектора 
            Р_Кдоп= 100Вт - максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора (с теплоотводом)

  t°_{nep max} = 398К - максимальная температура коллекторного перехода

 

 

 

        9

f_гp = 3 МГц - граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером

          = 12 - статический коэффициент

 

          Определим параметры входной  цепи. Ток смещения базы Ioб, соответствующий найденной рабочей точке О, при наихудшем транзисторе, имеющем β, 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)

         

 

 

        10

       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 )

 

11

 

                                             (2.23)    

                                    (2.24)

                                  ;   ;   В

                                     (2.25)

                                       (2.26)

                                     (2.27)

        Рисунок 2 – Сквозная характеристика

 

 

 

12

E_{r max}=29,67 В; I’_км=2,1 A

E_{r ср}20,4 В; I’_ср = 1,3 A;

E_{r min.} =9,4 В; I_{к min} = 0,5 A.

 

 

        Рассчитаем коэффициент гармоник  двухтактного каскада в режиме  АВ с учетом асимметрии плеч находим I_км, I₁,I_ок,I₂, I_{к min} при b= 0,1.. .0,15, где b - коэффициент асимметрии транзисторов:

I_км=(1+b)I’_км =(1+0,1) ·2,1=2,31А                                  (2.28)

      I₁=(1+b)I₁ =(1+0,1) ·1,3=1,43 А                                  (2.29)

I_ок=2bI_{к min} =2·0,1·0,5=0,1 А                                     (2.30)

      I₂=-(1-b)I₁ = -(1-0,1)·1,43= -1,17 А                                 (2.31)

I_кmin= - (1-b)I_км = - (1-0,1)·2,31= - 1,89 А                           (2.32)

 

       Далее определяем амплитуды гармоник тока коллектора:

        (2.33)

          (2.34) 
       (2.35)

   (2.36)

     (2.37)

    

      Коэффициент гармоник для схемы ОЭ:

                                         (2.38)

 

 

 

 

13

        При включении же с общим коллектором отрицательная обратная связь снизит коэффициент гармоник до величины:

                               (2.39)

 

          

         По условию Кг = 2 %, поэтому это значение нас удовлетворяет.

 

        Определим емкость разделительного  конденсатора:

       (2.40)

        По ряду Е12 округляем до Ср = 0,56 мкФ

 

        Определим площади дополнительного  теплоотвода (радиатора), транзистор охлаждающего:

                                                (2.41)

         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;

         R_tПК - величина теплового сопротивления транзистора.

         R_tПК ≈ 1,5град/Вт  при P_кдоп ≤ 12 Вт

         R_tПК ≈ 3град/Вт  при P_кдоп ≤ 30 Вт

         R_tПК≈ 5…10град/Вт  при P_кдоп > 30 Вт

         Pk – мощность, выделяемая в транзисторе (Pкв≈0,5Р; Pк_АВ≈0,7P)

 

 

 

14

 

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 = 44 В. При выборе транзисторной пары (КТ818ГМ и КТ819ГМ) учитывалось, что транзистор должен быть комплиментарным, т.е. с противоположными типами проводимости и одинаковыми параметрами. Далее был произведен расчет параметров усилителя: Кр = 2,35; КПД = 60%;             Р_вх = 17 Вт; Р₀ = 67,115 Вт; R_BX = 241,2 Ом. Данная схема обеспечивает коэффициент гармоник = 0,3%, при сопротивлении генератора Rг = 241,2 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.

        

  

     

 

 

 

15

       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)

 

                                       (2.42)

                                     (2.43)

        Параметры трансформатора:

                                          (2.44)

                  (2.45)

         (2.46)

              (2.47)

        Параметры диодов:

                                  (2.48)

                               (2.49)

                        (2.50)

 

 

 

  16

        Выбираем тип вентилей. При этом  необходимо выполнить условия:

 

;                                            (2.51)

;                                      (2.52)

.                                   (2.53)

       Выбираем диоды 1N5401 со следующими параметрами:

       Сопротивление вентилей в прямом  направлении:

                              (2.54)

      Определяем активное сопротивление  обмоток трансформатора:

                              (2.55)

   

      Индуктивность рассеяния обмоток  трансформатора:

                             (2.56)

    

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).

 

 

17

         Определяется угол φ, характеризующий соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя:

                       (2.57)

где n_в – количество последовательно включенных и одновременно работающих вентилей (n_в=1 – для схемы со средней точкой; n_в=2 – для мостовой схемы).

Находим основной расчётный коэффициент:

 

,                    (2.58)

где m – число фаз выпрямителя, m=2.

          По найденному значению A и углу φ определяются вспомогательные коэффициенты B, D, F (приложение В) и по таблице 2 находятся необходимые параметры трансформатора и вентиля: U₂, I₂, S₂, I₁, S₁, S_тр, U_обр, I_пр.ср, I_пр, I_прmax. Проверяется правильность выбора вентилей.

В=0,95

D=2,2

F=6,1

H=200

        Уточняем параметры:

        Параметры трансформатора:

                                          (2.59)

                  (2.60)

         (2.61)

              (2.62)

        Параметры диодов:

                                  (2.63)

                               (2.64)

                        (2.65)

 

18

        Рассчитаем сглаживающий фильтр:

                                               (2.66)

        где 0.67 коэффициент сглаживания  мостовой схемы.

        Определим R_ф:

                                     (2.67)

R_ф≈10Ом

          Далее определим Cф:

                                     (2.68)

Так как k_cг < 25 рекомендуют использовать многозвенные RC-фильтры.

 

         Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения:

         Выбор стабилитрона по справочнику осуществляется по двум параметрам:

                                              U_CT = U₀   и   I_{CT max} ³ I₀ = U₀/R₀

         Выбираем стабилитроны Д816А со следующими параметрами:

I_{CT max}=230мА

U_CT =44В

           Определяется:

                                  (2.69)

Определяется величина балластного сопротивления:

                    (2.70)

                     

 

 

 

 

 

 

  19

       3 Разработка модели устройства

       

         Моделирование устройств энергетической электроники имеет свои осо-бенности, обусловленные характерными свойствами используемых силовых полупроводниковых приборов и других элементов мощных 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, балластное сопротивление и 3 стабилитрона для стабилизатора напряжения.

          Затем начинаем собирать усилитель.  Выбираем в базе транзисторы идеальные транзисторы, сопротивления для обеспечения необходимого смещения и емкости, служащие в качестве разделительных конденсаторов. В качестве нагрузки будем использовать сопротивление номиналом 20 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.

 

 

 

   20

         4 Результаты моделирования

 

          Осциллограммы напряжений в контрольных  точках:

         Рисунок 3 - Осциллограммы напряжений

         Напряжение на выходе источника  питания равно 44В.

         Значение токов и напряжений при минимальном напряжении:

Iвых = 607мА

Uвых = 12В

          Значение токов и напряжений при номинальном напряжении:

Iвых = 2,2А

  Uвых = 44В

 

          

 

 

 

 

 

 

          21

    

         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, имеет коэффициент нелинейных искажений равных 1,1% (по заданию задано 2%). Источник питания выдает необходимое напряжение и имеет минимальные пульсации равные 0,013.

         При моделировании усилителя  на пониженном напряжении источника  питания усилитель выдает повышенные  нелинейные искажения.

        Делаем вывод, что усилитель  реализовать исходя из данных задания и расчетов нам удалось.

 

 

 

 

 

                22

       Заключение.

        В ходе выполнения курсовой работы был разработан усилитель мощности на 40 Вт, был проведен полный расчет всех элементов усилителя, был рассчитан и спроектирован источник питания, сглаживающий фильтр. На основании всех этих расчетов и из-за неполной базы элементов воспользовался идеальными транзисторами, было произведено моделирование спроектированного устройства и произведен анализ его работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                  23

    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