Сппроектировать усилитель

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

 

 

 

КАФЕДРА   «АВТОМАТИКИ И ИНФОРМАТИКИ»

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

 

 

по дисциплине  «ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва,  2013г.

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМ  ПРОЕКТА:

1. Расчетно-пояснительная записка содержит 14 листов печатного текста.
2. Графическая часть содержит 2 рисунка формата А-4.

 

 

 

 

 

Исходные данные курсового проекта:

спроектировать и произвести электрический  расчет стабилизированного источника  питания.

 

Дано:  Uвых = 8 кВ;   Iн max = 2 мA;

Uс = 220 В ± 10%;  Iн min = 1 мA;

Т_ок.ср. = +10÷40˚С;   fc = 50 Гц.

Кп = 10^-4;   Кст≥300.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дата выдачи задания          Дата представления проекта руководителю

 

«____»___________200   г.   «____»___________200   г.  

 

 

 

 

 

 

 

 

ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА

 

ДАТА			Работа допускается  к защите _________________     (подпись руководителя) «___»______________200  г.
Процент выполнения

 

 

 

 

 

Результаты защиты курсового  проекта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

 

1. Стабилизаторы напряжения и тока ……………………………5
2. Компенсационные стабилизаторы……………………………..5
3. Расчёт стабилизатора…………………………………………...8
4. Расчёт принципиальной схемы стабилитрона и выбор элементов схемы………………………………………………...9
5. Расчёт выпрямителя и оглаживающего фильтра…………….13
6. Принципиальная схема………………………………………...16
7. Принцип действия принципиальной схемы………………….17
8. Спецификация………………………………………………….18
9. Заключение……………………………………………………..19

10. Список литературы…………………………………………...20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стабилизаторы напряжения и тока.

 

Напряжение источников входной  электроэнергии переменного или постоянного тока, от которых питается радиоэлектронная аппаратура (РЭА), в силу разных причин имеют широкие пределы изменения номинала: ± 20-30 %. Кроме того, в процессе работы изменяется ток, потребляемый аппаратурой. Поэтому необходимо применять источники стабилизированного питания.

При рассмотрении заданных выходных условий, непроизвольно напрашивается  вывод, что необходимо применить  непрерывный стабилизатор напряжения. А именно:

• Высокий коэффициент стабилизации по напряжению;
• Простота схемы, при заданных условиях;
• Простота, а значит и дешевизна;
• Высокий коэффициент полезного действия.

Одним словом, всё требует остановить наш выбор на компенсационном  стабилизаторе напряжения (КСН) с  последовательно включённым регулирующим элементом.

 

 

Компенсационные стабилизаторы.

 

Компенсационные стабилизаторы обеспечивают необходимую стабильность напряжения на нагрузке при помощи цепи обратной связи, воздействующей на регулирующий элемент (РЭ). В зависимости от схемы включения регулирующего элемента, компенсационные стабилизаторы напряжения различают: последовательные и параллельные.

 

Рис.1  КСН с последовательно  включённым РЭ

Рис.2  КСН с параллельно включённым РЭ

 

В состав любого КСН входят следующие  основные функциональные узлы:

• Регулирующий элемент (РЭ);
• Устройство сравнения (ИЭ);
• Усилитель постоянного тока(УПТ).

*Регулирующий элемент выполняют,  как правило, на составных транзисторах:

 

Рис.3 Составные транзисторы

 

Число включённых транзисторов зависит  от их коэффициента передачи тока и  заданного тока нагрузки стабилизатора.

Так, для схемы (а), состоящей из двух транзисторов в регулирующем элементе, статический коэффициент передачи тока составного каскада:

h_21э=h_21э1·h_21э2,

а напряжения насыщения:

Uкэ_нас=Uкэ_нас2 + Uэб₁.

Для схемы (б) соответственно:

h_21э=h_21э1·h_21э2· h_21э3.

При расчёте коэффициента стабилизации удобно пользоваться коэффициентом  усиления по напряжению (μ_т).

Для составного транзистора, изображённого  на рис.3(а):

μ_т= μ_т1· μ_т2 / ( μ_т1+ μ_т2).

*Схемы сравнения и усилителя постоянного тока выполняются на транзисторах. Поэтому они одновременно с формированием сигнала рассогласования осуществляют его предварительное усиление.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4

На Рис.4 показаны основные схемы  сравнения, выполненные на одном  транзисторе и одном источнике дополнительного питания.

Рис.5

На Рис.5 схема тоже относится  к основным схемам сравнения на одном  транзисторе n-p-n проводимости, но имеет отличие: наличие двух источников питания.

 

 

Расчёт стабилизатора.

 

При заданных условиях, я выбрал следующую структурную схему стабилизации напряжения:

            

Рис.6  Структурная схема непрерывного последовательного стабилизатора

 

На этой схеме РЭ – регулирующий элемент, транзистор проводимости n-p-n включён последовательно с нагрузкой Rн.

При изменении входного напряжения (выпрямленного) или тока нагрузки, в измерительном элементе, в который входит сравнивающий делитель, выделяется сигнал рассогласования. Этот сигнал усиливается усилителем постоянного тока (УПТ) и подаётся на вход регулирующего элемента (РЭ), изменяя его сопротивление по постоянному току таким образом, что выходное напряжение Uн на нагрузке сохраняется с определённой степенью точности.

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт принципиальной схемы стабилизатора

и выбор элементов схемы.

 

Рис. 7  Принципиальная схема стабилизатора

 

1) Выбираем в качестве регулирующего транзистора VT2 – транзистор                           типа КТ817А  (n-p-n), так как его рабочие характеристики отвечают изменениям параметров нагрузки.

Iк max = 3 A  Pк = 14 Вт   h₂₁ min = 25

Iкб =  0,4 mA  Uкэ max = 25 B

При заданном токе нагрузки Iн max = 1 A  принимаем напряжение Uкэ нас = 3 B,    а максимальный уровень пульсации: Uп = 9·10^-4.

 

2)  Определяем входное напряжение питания:

Uп max = (Uкэ нас + Uн + ∆Uн)·(1 + a_c) / (1 – b_c);

Uп max = (3 + 9 + 1)·(1 + 0,1) / (1 – 0,1);

Uп max = 13,0185 (B)

Uп = Uп max / (1 + a_c) = 11,835 (B)

Uп min = Uп·(1 – b_c) = 10,651 (B)

Максимальная мощность рассеивания на VT2:

Pт max = (Uп max – Uн - ∆Uн)·Iн max = (13,0185 – 9 – 1)·1 = 3,0185 (Вт)

 

 

3) По выходным и входным характеристикам КТ817А определяем следующие параметры:

Рис. 8 Вольтамперные характеристики стабилизатора

 

Uэб₂ = 0,8 В    ∆Uэб = 0,01 В

∆Uкэ = 6 В    μ_т2 = ∆Uкэ / ∆Uкб = 150

h_11э2 = ∆Uэб / (Iб₂ – Iб₁) = 0,1 / (15·10³ – 0,3·10³) = 83 Oм

Максимальное  значение коллекторного тока, напряжение коллектор – эммитер      (в момент включения) и рассеиваемой мощности для составного транзистора VT1 соответственно равны:

Iк₁ = Iн max / h_21э2 min = 1 / 25 = 0,04 (A)

Uкэ₁ = Eп max = 13,0185 (В)

Pк₁ = Pт max / h_21э2 min = 3,0185 / 25,15 = 0,12 (Вт)

Выбираем в качестве составного транзистора, транзистор типа КТ603Б (n-p-n) с параметрами:

Iк₁ max = 0,3 > 0,04 (A)   Uкэ₁ = 30 (В)

Pк₁ max = 0,4 (Вт)    Uкэ нас₁ = 0,25 (В)

h_21э1 min = 60     Uэб₁ = 0,7 (В)

h_11э1 = 300 (Oм)    μ_т = 600

Iкбо₁ = 0,03 (mA)

Ток базы транзистора VT1:

Iб₁ = Iк₁ / h_21э1 min = 0,04 / 60 = 0,7 (mA)

 

4) Принимаю схему составного транзистора без вспомогательного источника питания.

Максимальное напряжение на регулирующем элементе

Uкэ нас = Uк нас₁ + Uэб₂

Uкэ нас = 0,25 + 0,8 = 1,05 (В)

Уточняем значения напряжения питания, рассеиваемой на транзисторе  мощности,              а также μ_т22 и h_11э:

Uп max = (Uкэ нас + Uн + ∆Uн)·1,1 / 0,9 = (1,05 + 9 + 1)·1,1 / 0,9 = 13,688 (В)

Uп = Uп max ·(∆Uн – 0,1) = 13,688·(1 – 0,1) = 12,319 (В)

Uп min = Uп / (∆Uн + 0,1) = 12,319 / (1 + 0,1) = 11,19 (B)

       Pк₁ = (Uп max – Uн – ∆Uн – Uэб₂)·Iн max / h_21э2 min

       Pк₁ = (13,688 – 9 – 1 – 0,8)·1 / 25 = 0,115 (Bт)

μ_т22 = μ_т1·μ_т2 / (μт1 + μт2) = 150·600 / (150 + 600) ≈ 120

h_11э = h_11э1 + h_11э2·h_21э1 min = 300 + 83·60 ≈ 5,3 (кОм)

r_iт = μ_т22· h_11э / h_21э1 min · h_21э2 min = 120· 5300 / 60·25 = 425 (Ом)

 

5) Максимальное значение напряжения Uвых у (напряжение выхода с усилителя, показано на принципиальной схеме):

Uвых у = Uн + ∆Uн + Uэб₁ + Uбэ₂ = 9 + 1 + 0,7 + 0,8 = 11,5 (B)

 

6) Проводим расчет цепи обратной связи:

а) Выбираем стабилитрон типа КС168А:

          Uст = 6,8 ± 10%  Iст min = 5 mA

          r_диф = 28 Ом    Iст max = 45 mA

          α_н = ± 0,06 % / °С

 

б) Выбираем в качестве VT3 транзистор типа КТ312Б (n-p-n) с параметрами:

Uкэ₃ max = 35 В  Iк₃ max = 30 mA

α_т3 = 2 mB / °С  h_21э3 = 25

r_э3 = 50 Ом    h_11э3 = 1 кОм

r_эб3 = 1 кОм   μ_т3 = 100

 

 

 

 

в) Коллекторный ток VT3:

        Iк₃ = 30 mA > Iб₁ = Iвых у = 0,7 mA

Вычисляем величины сопротивлений:

       R1 = Uвых у – (Uн + ∆Uн) / (Iк₃ + Iвых у)

        R1 = 11,5 – (9 + 1) / (0,7·10^-3 + 3·10^-3)

        R1 = 428,57 Ом   →  500 Ом  (ГОСТ)

         R3 = (Uн – ∆Uн – Uст max) / (Iст min – Iк₃)

       R3 = (9 – 1 – (6,8 + 0,68)) / (8·10^-3 – 2,8·10^-3)

         R3 = 2,6 кОм    →    2,7 кОм  (ГОСТ)

 

г) Определяем ток базы транзистора VT3 и сопротивление резисторов делителя напряжения:  

Iб₃ = Iк₃ / h_21э3 min = 2,8 / 25 ≈ 0,1 mA  

Iдел = 10·Iб₃ = 1 mA 

R5 ≤ (Uст min + Uэб₃) / (Iдел·(1 + ∆/Uн)) = (6,12 + 0,8) / (10^-3·(1 + 0,11)) = 6,2 кОм  (ГОСТ)

R4 ≤ R5 · (Uн – ∆Uн – Uст max – Uэб₃) / (Uст + Uэб₃)

R4 ≤ 6,2·10³ · (9 – 1 –7,48 – 0,8) / (6,8 + 0,8) = 455,5 Ом

Переменное сопротивление  RP:

RP ≥ Uн / Iдел – R4 – R5 = 9·10³ / 1 – 455,5 – 6200 = 2,344 кОм

 

д) Коэффициент  передачи по напряжению:

Rн  = Uвых у / Iвых у = 11,5 / 3·10^-3 = 3,8 кОм

Rк = R1·R4 / (R1 + R4) = 500·455,5 / (500 + 455,5) = 238 Ом

Кн = (Uст min · h_21э3 min · Rк) / Uн·(h_11э3 + h_21э3 min·(r_э3 +r_диф))

Кн = (6,12 · 25 · 238) / 9·(1000 + 25·(50 +28)) = 3,861

 

7) Определяем значения коэффициента стабилизации:

Кст = Кн·μ_т22·Uн / Uп = 3,86·120·9 / 12,319 = 338,4 > 300

 

8) Определяем температурную нестабильность выходного напряжения КСН:

Uнт = (Uн + ∆Uн)·(±α_н ±α_нт ±α_нд)·∆T / Uст min

Uнт = 10·(1,8 – 2 – 1)·30 / 6,8 = 52 mВ

 

9) Вычисляем значение сопротивления R2:

R2 = (Uн – ∆Uн) / Iкбо₂ = (9 – 1) / 0,4·10^-3 = 20 кОм

10) Определяем номинальное и минимальное значение КПД:

P₀y = Uн / (Iб₁ + Iк₃) + Uн·( Iкбо₂ + Iст min – Iк₃ + Iдел)

P₀y = 9 / (0,3·10³+ 0,7·10^-3) + 9·( 0,4·10^-3 + 5 – 0,7·10^-3 +1) = 11,7 mBт

η = Uн·Iн / (Uн·Iн + P₀y) = 9·1 / (9·1 + 2,7) = 0,77

η min = (Uн – ∆Uн)·Iн max / (Uн·Iн + P₀y) = (9 –1)·1 / (9·1 +11,7) = 0,64

 

 

 

Расчёт выпрямителя  и оглаживающего фильтра.

 

Имеем:

P₀ = 9 Вт    V₀ = 14,375 В   f_c = 50 Гц

I₀ = 1 A  V1 = 220 B    a_c = b_c = 0,1

I₀ min = 0,1 A

При величине Rф = 0,25·Rн учитываем, что напряжение на входе фильтра должно быть U₀ = 1,25·Uвых y = 1,25·11,5 = 14,3 B

 

1) Выбираем двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой (m = 2).

 

2) Определяем B_L и D_L:

B_L = 1;    D_L = 2,2          при m = 2

Определяем максимальное выпрямленное напряжение:

U₀ max = U₀·(1 + 0,1) = 14,375·1,1 = 15,812 В

 

Ориентировочно определяем параметры вентилей:

Uобр = 2,82·B_L·U₀ max = 2·1·15,812 = 44,59 B

Iпр ср = 0,5·I₀ = 0,5·1 = 0,5 A

Iпр = 0,5·D_L·I₀ = 0,5·2,2·1 = 1,1 A

Sтр = 0,85·B_L·D_L·P₀ = 0,85·1·2,2·9 = 16,83 B·А

 

По величинам Uобр, Iпр ср выбираем в качестве вентилей кремниевые диоды D229И:

Uобр max = 200 B  >  44,59 B

Iпр ср max = 0,7 A  >  0,5 A

Uпр ср = 1 B

r_пр = Uпр ср / Iпр ср max = 1 / 0,7 = 1,428 Ом

3) Определяем параметры трансформатора:

r_тр = 2·U₀·j·(f_c·B·j / Sтр)^1/4 / I₀·f_c·B = 2·14,375·3,5·(50·1·3,5 / 16,83)^1/4 / 1·50·1

r_тр = 3,61 (Ом)

Ls = 1,2·U₀·10^-3·(Sтр / B·f_c)^1/4 / I₀·f_0c·B = 14,375·10^-3·(16,83 / 50·1)^1/4 / 1·50·1

Ls = 0,21·10^-3 (Г)

        x_тр = 2·π·f_c·Ls = 2·3,14·50·0,21·10^-3

x_тр = 0,065 (Ом)

 

4) Определяем сопротивление фазы:

r = r_тр + r_пр = 3,61 +1,428 = 5,038 (Ом)

 

5) Определяем  φ и A_L:

A_L = I₀·π·r / m·U₀ = 1·3,14·5,038 / 2·14,375 = 0,55

φ = arctg(x_тр/r) = 0°

 

6) При φ₀ имеем:

A_L = 5,2; B_L = 1,17; D_L = 2

Окончательно определяем параметры  трансформатора и вентилей:

U2 = E2 = B_L·U₀ = 1,17·14,375 = 16,81 (B)

I₂ = 0,5·D_L·I₀ = 0,5·2·1 = 1 (A)

U₁ = E₁ = 220 (B)

I₁ = 0,707·D_L·I₀·U₂ / U₁ = 0,707·2·1 ·16,81 / 220 = 0,1 (A)

S₂ = B_L·D_L·P₀ = 1,17·2·9 = 21,06 (B·A)

S₁ = 0,707·B_L·D_L·P₀ = 0,707· S₂ = 14,889 ≈ 15 (B·A)

Sтр = 0,85·B_L·D_L·P₀ = 0,85·1,17·2·9 = 17,9 ≈ 18 (B·A)

Iпр ср = 0,5·I₀ = 0,5·1 = 0,5 (A)

Iпр = 0,5·D_L·I₀ = 0,5·2·1 = 1 (A)

1 A  <  1,57·Iпр ср max = 1,57·0,7 = 1,1 (A)

Uобр = 2,82·B_L·U₀ max = 2,82·1,17·44,59 = 147,2 (B)

147,2  <  200 B (Uобр max (D229И) = 200 B)

Выбранные диоды пригодные к  работе в схеме.

 

 

 

 

7) Расчёт сглаживающего фильтра.

Выбираем Т-образный R-C фильтр.

Рис. 9  Т-образный R-C фильтр

 

Rф = 0,25·Rн = 0,25·16,42·10³ = 4,1 кОм

При    A_L = 0,55  → H = 750

Cф = H / Кп·r

Kп = 10^-4  →  Сф = 750 / 10^-4·4,1·10^-3 = 163 мкФ

Выбираем конденсатор марки К50-6:

Сн = 200 мкФ 

Uн = 15 В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принцип действия принципиальной схемы.

• При изменении выпрямленного входного напряжения, в первый момент времени, например увеличении, выходное напряжение Uвых начинает увеличиваться, что приводит к увеличению напряжения на нижнем плече делителя (R4). Разность напряжений на R4 и стабилитроне VD3 «приоткрывают» транзистор VT3. Протекающий ток через VT3 уменьшает отрицательный потенциал на базе составного транзистора (РЭ), его проводимость уменьшается. Излишек напряжения погибает на коллектор – эммитерном переходе VT2 – VT1.
• При уменьшении Uвх или Uнагр разность напряжений на VD3 и R4 наоборот – «призакрывает» VT3. Отрицательный потенциал на базе РЭ увеличивается, так что проводимость увеличивается и напряжение на нагрузке приходит в норму.

Заключение:

 

Главный недостаток:

• У компенсационного стабилизатора напряжения с последовательным включением регулирующего элемента всегда существует угроза его выхода из строя при коротком замыкании в нагрузке, так как он подключён к ней последовательно.

Главные достоинства:

• Высокая степень точности соответствия выходного напряжения номинальному.
• Высокий коэффициент стабилизации у подобных схем.
• Такая схема обеспечивает высокий КПД, в отличии от других схем (например, КСН с параллельным включением РЭ, или параметрические схемы стабилизации).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

 

1. Справочник «Источник электропитания РЭА» (Радио и Связь)

2. Ю.С. Забродин «Промышленная электроника»

3. Л.А. Каяцкая «Основы радиоэлектроники»

4. Н.Н. Горюнов «Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам  и интегральным схемам»

5. В.Е. Китаев «Расчет  источников электропитания средств  связи»