|
Реферат: Регулятор температуры (Радиоэлектроника)
1. Задание на курсовой проект
Требуется разработать регулятор температуры, который будет
поддерживать температуру в соответствии с графиком задания Рис. 1.
Точность соответствия температуры заданию должна быть не ниже 12%.
t0C
80
-10
(Uвх,В
0 100 200 220
Функциональная схема устройства :
Uп = 140+/-30%
Uвх
ЗИ Р СУ VT1
Дt Rн
Требования к узлам устройства:
1. Задатчик интенсивности :
1.1. Uвх0 = 0 В.
1.2. Uвх1 = (220 В ; (напряжение сети).
1.3. Время нарастания температуры 32 с.
1.4. Задатчик должен обеспечивать потенциальную развязку от напряжения
сети.
2. Система управления импульсным ключом:
2.1. Обосновать выбор типа модуляции.
2.2. Разработать принципиальную схему.
2.3. Рассчитать элементы.
3. Импульсный ключ:
Выбрать требуемый транзистор импульсного ключа
по току и напряжению.
4. Нагревательный элемент :
Мощность нагревательного элемента 250 Вт.
5. Датчик температуры:
Выполняется на диоде.
6. Регулятор :
Пропорционально интегральный регулятор.
2. Импульсный ключ.
Выбор силового ключа производится из расчета максимального напряжения Uкэ
max и максимального тока Iк max
Un max = Uн + 30% = 182 B = U кэ max
Iн = P/Uн = 1.786 A Номинальный ток через транзистор
Imax = U кэ max Iн / Uн Максимальный ток через транзистор
Транзистор выбираем с запасом по току и напряжению 30%.
U кэ max = Uп max + 30% = 236 B
I к max = I max + 30% = 3.9 A
Выбран транзистор КТ858А , из раздела высокочастотные мощные, со
следующими параметрами :
I к max = 7А ; U кэ max = 400 В ; ( = 10 ; U бэо max = 6 В ; U кэ нас
= 1 В
КIД = ( / 3 = 3.33 Динамический коэффициент передачи по току
Iб max = I max / KIД = 0.905 А
3. Система управления импульсным ключом.
3.1. Предоконечный каскад.
Выбор транзисторов в предоконечном каскаде проводится по следующим
параметрам :
1. Un < Uбэо max(силового ключа)
2. Iк max = Iб (силового ключа) max + 50%
3. U кэ max = 2Un + 30%
Примем Un = 5 B
Тогда :
U кэ max = 13 В
Iк max = 1.358 А
Для как можно большего уменьшения тока управления необходимо в
предоконечный каскад поставить транзистор с большим коэффициентом усиления.
Важным условием так же является широкая полоса рабочих частот.
По этим параметрам выбран составной высокочастотный транзистор КТ972Б со
следующими параметрами :
I к max = 4А ; U кэ max = 45 В ; ( = 750 ; U бэо max = 5 В ; U кэ нас
= 1.5 В
КIД = ( / 3 = 250 Динамический коэффициент передачи по току
Определим ток базы составного транзистора :
Iб max = Iк max / KIД = 0.005 А
Ток базы достаточно мал, значит можно уже использовать микросхему.
Для более быстрого отключения силового транзистора необходимо притянуть
накопившиеся на его базе заряды к отрицательному полюсу источника питания.
Для этого необходимо использовать транзистор типа p - n - p .
Произведем выбор этого транзистора .
1. U кэ max = 2Un + 30%
2. Iк max = Iб (силового ключа) max + 50%
Выбран транзистор 2Т830А со следующими параметрами :
I к max = 2А ; U кэ max = 25 В ; ( = 25 ; U бэо max = 12 В ; U кэ нас
= 0.6 В
3.2. Управление ключом поручим АЦП .
K554CA3Б
3 W
4 2
7 Q
R
8 R 9
11 Q
6 +U
-U
Выберем компаратор К554СА3Б со следующими параметрами:
Un = +/-15 B (+/-1.5 В) ; Iпот1 < 7.5 mA ; Iпот0 = 5 mA ;
Ucм < 7.5 mB ; Iвх ср < 0.25 mkA ;
Для управления импульсным ключом необходимо на его вход подавать
управляющие импульсы, преобразованные из аналоговых сигналов задания и
сигнала с датчика температуры. Для этой цели выберем широтно импульсную
модуляцию ШИМ - 1. Я реализую ШИМ - 1 модулятор на компараторе. Более
точная модуляция в данном проекте не требуется т.к. на входе компаратора
сигнал не сложной формы. А ШИМ - 1 более прост в настройке ( легко можно
посмотреть на экране осциллографа ). На один вход компаратора подаются
контрольные импульсы с генератора пилообразных импульсов. На другой вход
компаратора подаются сигнал задания и сигнал с датчика температуры,
обработанные определенным образом.
На выходе компаратора образуются управляющие импульсы.
3.3. Генератор пилообразных импульсов.
Генератор пилообразных импульсов сделаем на основе генератора
прямоугольных импульсов построенного на логических элементах.
Генератор прямоугольных импульсов построим на основе микросхемы К561ЛН2
,выполненной по технологии КМОП . Эта микросхема содержит 6 логических
элементов НЕ три из которых мы используем. На входы оставшихся трех
элементов подадим логический уровень 1 .
+15 B
R4
1 1 1 R7 VT
C2
R1 R2 R3 C1
VD
Произведем расчет и выбор навесных элементов микросхемы.
Генератор будем строить на частоту f = 10 Кгц , что соответствует
периоду Т = 100 мкС .
Из этого условия выбираем сопротивление R4, принимая величину емкости С2 =
820 пФ.
R4 C2 = 100мкС R4 = 1.22 105
Из ряда резисторов выбран номинал R4 = 130 Ком .
Величина параллельного сопротивления резисторов R2 R3 должна находиться в
пределах от 3 до 4 кОм, чтобы не перегрузить логический элемент по току.
Пренебрегая R2 выберем R3 = 3.6 кОм .
Длительность импульса на выходе последнего логического элемента должна
находиться в пределах 1...2 мкс. Примем длительность импульса tи = 1.5
мкс. В моей схеме длительность импульса определяется С1 R3 = tи . Отсюда
определим величину емкости С1.
С1 = 4.167 10-10 Ф
Выберем величину емкости С1 из ряда емкостей С1 = 3.9 10-10.
С1 R3 = 1.404 мкС. Это значение удовлетворяет нашему промежутку.
В моей схеме период импульса определяется С1 R2 = Т.
Отсюда найдем величину сопротивления R2
R2 = 2.564 105 Ом
Из ряда резисторов выберем номинал R2 = 2.7 105 Ом.
Величина сопротивления R1 должна находиться в пределах
10...500 Ком . Примем R1 = 100 Ком.
Транзистор в этой схеме выбран КТ603А со следующими параметрами Ikmax = 0.3
A ; UКЭ = 30 В ; ( = 80 .
Резистор R7 выбираем по току базы транзистора .
Ik = Ikmax - 30% = 0.21A
Iб = Ik / ( = 2.625 mA
R7 = Un / Iб = 5714 Ом
Из ряда резисторов выбираем номинал R7 = 5.6 Ком
4. Блок питания
-Uвх СТ -Uвых
-15В
+Uвх +Uвых +15В
(220 В
GND
+5В
-5В
Блок питания требуется с двумя двухполярными источниками. Одним пяти
вольтовым источником , для питания импульсного ключа, и вторым пятнадцати
вольтовым источником питания , для микросхем .
Для питания импульсного ключа стабилизатор напряжения не нужен, и я
использую простую схему диодный мост VD11 - VD14 марки КД209 и
конденсаторы С14 = С15 = 100 мкФ и С12 = С13 = 0.01 мкФ .
Для остальных элементов требуется стабильное напряжение питания. Выбор
стабилизатора происходит по следующим параметрам : Uст = +/-15 +/-1.5 В ;
Iст >=0.04 .
По этим параметрам выбран двухполярный стабилизатор напряжения в
интегральном исполнении 142ЕН6Б со следующими параметрами : Uст = +/-15 +/-
0.015 В ; Iст = 0.2 А .
Остальная схема представляет собой диодный мост VD2 - VD5 марки КЦ405Е .
Емкости на входе стабилизатора должны быть на два порядка выше, чем на
выходе, поэтому выбраны следующие конденсаторы С4 = С5 = 1000 мкФ , а
С7 = С8 = 10 мкФ .
5. Задатчик интенсивности
R1
C1
VD1 R2
VD2 R3
C2 VD3 R4
Исходя из задания на курсовой проект к задатчику можно предъявить
следующие требования :
1. Задатчик интенсивности должен обеспечивать потенциальную развязку от
напряжения сети.
2. Время нарастания температуры 32 сек.
Потенциальную развязку обеспечивает трансформатор с коэффициентом
передачи КП на входе задатчика.
Время нарастания температуры обеспечивает схема интегратора собранная
на операционном усилителе.
Произведем расчет навесных элементов операционного усилителя в
задатчике интенсивности.
Из графика задания найдем приблизительные коэффициенты
пропорциональности резисторов R2 R3 R4 :
Кт = (t / (U
(t - изменение температуры на одном участке
(U - изменение напряжения на том же участке
Кт1 = 20 / 100 = 1.25
Кт2 = 35 / 100 = 0.35
Кт3 = 25 / 20 = 0.2
При ступенчатой подаче на задатчик интенсивности 220 (В) в работу
включаются сразу все резисторы (R2, R3, R4). Примем их параллельное
сопротивление равным Rтретьего = 4.7 Ком .
Тогда параллельное сопротивление резисторов R2 и R3 можно вычислить по
формуле :
Rвторого = n1(Rтретьего = 1.679 10-4
где n1 = Кт3 / Кт2
Найдем величину сопротивления R2 :
R2 = n2 (Rвторого = 2.937 104
где n2 = Кт2 / Кт1
Выберем из ряда резисторов стандартный номинал R2 = 30 Ком
Rвторого = R2 / n2 = 1.714 104 Ом
Найдем величину сопротивления R3 :
R3 = R2 (Rвторого / (R2 - Rвторого) = 4 104
Выберем из ряда резисторов стандартный номинал R3 = 43 Ком
Найдем величину сопротивления R4 :
R4 = Rвторого (Rтретьего / (Rвторого - Rтретьего) = 6.427 103
Выберем из ряда резисторов стандартный номинал R3 = 6.2 Ком
По получившимся номиналам резисторов посчитаем их общее сопротивление
Rтретьего = 4.6 103 .
Определим величину емкости конденсатора в обратной связи
операционного усилителя из условия :
Rтретьего (C = 32 сек
где Rтретьего - общее сопротивление резисторов R2, R3, R4.
С = 32 / Rтретьего = 0.00694 Ф.
Выберем из ряда конденсаторов стандартный номинал
С = 6800 мкФ.
Величина резистора R1 и типы стабилитронов зависят от выходного напряжения
трансформатора. Примем выходное напряжение трансформатора Uвых = 6 В, при
входном напряжении Uвх = 220 В.
Значит коэффициент трансформации Ктр = 6 / 220 = 0.0273.
Выберем выпрямительный диод Д12А со следующими параметрами: Iпр = 100 мА ,
Uпр = 1 В, Uобр = 50 В.
Учтем падение напряжения на выпрямительном диоде
Тогда при Uвх = 100 В Uвхоу = 1.9 В
при Uвх = 200 В Uвхоу =4.7 В
Выберем стабилитроны для требуемых напряжений:
КС119А Uст = 1.9 В Iст = 10 мА
КС147Г Uст = 4.7 В Iст = 10 мА
Коэффициент усиления операционного усилителя сделаем равным двум, чтобы
операционный усилитель не вошел в насыщение. Тогда Uвыхоу = 10 В.
Конденсатор на входе операционного усилителя должен быть достаточно большой
емкости, чтобы сгладить пульсации напряжения с выхода выпрямительного
диода.
Примем емкость конденсатора С2 = 2200 мкФ.
6. Датчик температуры
+15B
R2
-15B R3
R4
R1 R5
VD
По заданию на курсовой проект датчик температуры должен быть выполнен на
диоде. Выбран маломощный выпрямительный диод Д106 с параметрами Iпрср = 1
мА ; Т мах = 1250 .
Резистором R1 задает ток через диод .
R1 = Un / Iпрср = 15 Ком
Подаем на вход операционного усилителя опорное напряжение через резисторы
R3 и R2 .
Зададим падение напряжения на резисторе R2 = 5 В , что соответствует
сопротивлению R2 = U / I = 15 / 0.0001 = 150 Ком. Но резистор подстроечный
и, следовательно, для удобства регулировки нужен номинал в два раза больше.
Примем сопротивление резистора R2 = 300 Ком.
Зададим падение напряжения на резисторе R3 U = 9 В при токе через него I =
0.00001 А.
R3 = U / I = 900 Ком
Выберем из ряда резисторов стандартный номинал R3 = 910 Ком.
Из расчета задатчика интенсивности видно, что при максимуме задания на
выходе датчика температуры должно быть +10 В.
Соответственно подберем коэффициент усиления операционного усилителя и
номиналы резисторов во входной ветви и в ветви обратной связи.
Изменение падения напряжения на диоде составляет 2 (мВ/С0) , на всем
рабочем участке это изменение падения напряжения составит 0.18 В. Это и
будет максимальное входное напряжение.
Тогда найдем коэффициент усиления К = Uвых / Uвх = 55.56 .
По этому значению подберем сопротивления R5, R4 .
Резистор R5 возьмем переменный для компенсации ошибок задания, которые
возникают из-за разбросов параметров элементов схемы.
Примем величину сопротивления R5 = 10 Ком.
Тогда R4 = 5000 ( 55.56 = 277 Ком .
Выберем из ряда резисторов стандартный номинал R4 = 270 Ком.
Реферат на тему: Резисторный каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе
Министерство образования Российской Федерации
Институт переподготовки кадров
Уральского государственного технического университета
Кафедра микропроцессорной техники
Оценка
проекта
Члены комиссии
Резисторный каскад предварительного усиления на биполярном транзисторе
Курсовой проект
Пояснительная записка
Руководитель доц., к.т. н. И.Е. Мясников
Слушатель гр. СП-923 А.Б. Любимов
2000
Реферат
Курсовая работа оформлена на 35 страницах машинописного текста,
содержит 18 рисунков, 16 источников использованной литературы и 5
приложений.
Курсовая работа рассчитана по следующим данным:
Задача 1
Рассчитать резисторный каскад предварительного усиления на биполярном
транзисторе. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером и должен иметь
эмиттерную стабилизацию точки покоя. Развязывающий фильтр (Cф, Rф)
отсутствует. Питание цепей смещения и коллекторных цепей осуществляется от
общего источника.
Uвх=0,1 В
Uн=2 В
Ri=5 кОм
Rн=3 кОм
Cн=50 пФ
fн=20 Гц
fв=2 Мгц
Мн=1,2 дБ
Мв=1,5 дБ
Необходимо выполнить следующее:
Начертить принципиальную электрическую схему каскада;
Выбрать тип транзистора;
Выбрать режим работы транзистора по постоянному току (Uок, Iок, Iоб,
Uобэ);
Рассчитать номиналы резисторов R1, R2, Rк, Rэ и выбрать их тип;
Рассчитать номиналы конденсаторов C1, C2, Cэ и выбрать их тип;
Определить коэффициент усиления каскада по напряжению KU на средней
частоте рабочего диапазона;
Составить эквивалентные схемы каскада и рассчитать частотную
характеристику каскада в диапазоне от 0,1fн до 3fв, построить ее.
Задача 2
Используя данные, полученные при решении задачи 1, рассчитать
частотную характеристику каскада для заданных ниже изменений. Начертить
полученную характеристику на одном графике с частотной характеристикой
задачи 1 и сделать вывод о влиянии заданного изменения на вид частотной
характеристики.
Ввести в схему элемент ВЧ коррекции дросселем L=0,01 мГн, начертить
принципиальную схему получившегося каскада.
Задача 3
Зная напряжение питания усилителя, рассчитать транзисторный
стабилизированный источник напряжения компенсационного типа.
Uвых=12 В
Iвых=10 мА
aвых= bвых=0(1 %
aвх= bвх=15 %
Ключевые слова:
Усилитель, транзистор, конденсатор, резистор, частота, диод, обратная
связь, напряжение, ток, емкость, сопротивление( входная характеристика,
выходная характеристика, коэффициент усиления, эквивалентная схема,
частотная характеристика, частотная коррекция, амплитудные значения.
Содержание
Введение
1. Литературный обзор
1.1. Общие
понятия...…………..............................................................
.....5
1.2. Типы
усилителей.............……...................................................
...........5
2. Основная часть
2.1. Расчет каскада предварительного
усиления.............................……...6
2(1(1( Принципиальная схема
каскада(((((((((((((((((((((((((((((((((((…..((((…((((((((6
2(1(2( Выбор
транзистора((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((…..((((
((((((((6
2(1(3( Выбор режима работы транзистора по постоянному току и
расчет номиналов элементов
усилителя(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((…((((((7
2.2. Расчет амплитудно-частотной
характеристики.........................…....(10
2(3. Расчет частотной характеристики
каскада с элементом ВЧ
коррекции(((((((((((((((((((((((((((((((........................(((((14
2.4. Расчет стабилизированного источника напряжения
компенсационного
типа.........((((((((((((((((((((.........((((((((((((((((((((((((((((((((((
((((((15
2.5 Расчет
выпрямителя(((((((((((((((((((((((((((((((...........(......................
..........(((18
Заключение
Литература
Приложения
Введение
Общие понятия
В современной технике широко используется принцип управления энергией,
позволяющий при помощи затраты небольшого количества энергии управлять
энергией, но во много раз большей. Форма как управляемой, так и управляющей
энергии может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и
т.д.
Частный случай управления энергией, при котором процесс управления
является плавным и однозначным и управляемая мощность превышает
управляющую, носит название усиления мощности или просто усиления;
устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем.
Очень широкое применение в современной технике имеют усилители, у
которых как управляющая, так и управляемая энергия представляет собой
электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических
сигналов.
Управляющий источник электрической энергии, от которого усиливаемые
электрические колебания поступают на усилитель, называют источником
сигнала, а цепь усилителя, в которую эти колебания вводятся, - входной
цепью или входом усилителя. Источник, от которого усилитель получает
энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, назовем
основным источником питания. Кроме него, усилитель может иметь и другие
источники питания, энергия которых не преобразуется в электрические
колебания. Устройство, являющееся потребителем усиленных электрических
колебаний, называют нагрузкой усилителя или просто нагрузкой; цепь
усилителя, к которой подключается нагрузка, называют выходной цепью или
выходом усилителя.
Усилители электрических сигналов (далее просто усилители)( применяются
во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение
усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации,
радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи,
технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей
аппаратуры.
Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в
телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в
аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки,
точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах.
Типы усилителей
Усилители делятся на ряд типов по различным признакам. По роду
усиливаемых электрических сигналов усилители можно разделить на две группы:
– усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления
периодических сигналов различной величины и формы, гармонические
составляющие которых изменяются много медленнее длительности
устанавливающихся процессов в цепях усилителя.
– усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления
непериодических сигналов, например непериодической последовательности
электрических импульсов различной величины и формы.
По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители
делятся на ряд следующих типов:
– усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся
напряжений и токов, усиливающие электрические колебания любой частоты в
пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты.
– усилители переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей
границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую
сигнала.
– усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления
электрических колебаний несущей частоты, например принимаемых приемной
антенной радиоприемного устройства.
– усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления
гармонических составляющих не преобразованного передаваемого или
принимаемого сообщения.
Усилители низкой частоты характеризуются большим отношением высшей
рабочей частоты к низшей, лежащим в пределах 10 - 500 для усилителей
звуковых частот и превышающим 105 для некоторых типов видео усилителей.
Усилители с высшей рабочей частотой порядка сотен килогерц и выше,
одновременно имеющие большое отношение высшей рабочей частоты к низшей,
обычно называются широкополосными усилителями.
Избирательные усилители усиливают электрические сигналы в очень узкой
полосе частот.
Из трех типов транзисторных каскадов для усиления напряжения пригодны
два: каскад с общей базой и каскад с общим эмиттером. Каскад с общим
коллектором может быть применен в многокаскадных системах, однако
непосредственного усиления напряжения такой каскад не дает и выполняет
вспомогательную роль.
Для усиления напряжения звуковых частот наиболее пригоден каскад с
общим эмиттером, так как он имеет более высокое входное и более низкое
выходное сопротивления по сравнению с каскадом с общей базой.
Расчет каскада предварительного усиления
Принципиальная схема каскада
Принципиальная схема каскада предварительного усиления представлена на
рис(1 приложения 1(
Выбор транзистора
Для резисторного каскада транзистор выбирают по трем параметрам(
верхней граничной частоте f(( величине тока покоя коллектора IK0( и
наибольшему допустимому напряжению коллектора UКЭ доп(
Граничная частота передачи тока базы f( должна более чем в 5 раз
превышать заданную верхнюю частоту усилителя fв(
f([pic]5 fв = 107 Гц(
Ток покоя коллектора выбирается из условия
IК доп > IК0 > 1.5 Iн(
где
Iн = Uн / Rн = 667 мкА(
Напряжение питания усилителя Ек должно быть выбрано исходя из значения
наибольшего допустимого напряжения коллектора( т(е( меньше 0(8 UКЭ доп(
Поставленным требованиям удовлетворяет транзистор КТ315Б( Его
параметры(
– f( = 250 Мгц
– IК доп = 100 мА >> 1(5 Iн = 1 мА
– UКЭ доп = 25 В( Зададимся ЕК = 12 В < 0(8UКЭ доп = 20 В(
Выбор режима работы транзистора по постоянному току и расчет
номиналов элементов усилителя
Сначала по семейству выходных характеристик транзистора (рис(2
приложения 1) выберем рабочую точку( Для этого построим нагрузочную прямую
по переменному току( выберем значение максимального тока коллектора IК макс
таким образом( чтобы точка( соответствующая выбранной величине(
располагалась по меньшей мере над пятью - шестью кривыми iK = f (UK) при iБ
= const, приведенными в справочнике( Из этих соображений выбираем значение
IK макс =15 мА(
Значение максимального напряжения на коллекторе UK макс = ЕК( Ток IК0
можно взять равным половине IК макс(
IK0 = 0.5 IK макс = 8 мА(
Рассчитываем сопротивление в цепи эмиттера RЭ. Для этого прежде всего
зададимся падением напряжения на нем(
URэ = 0.2 EК = 2(4 В(
Отсюда
RЭ = URЭ / IЭ0 ( URЭ / IK0 = 300 Ом(
Теперь с помощью выбранной рабочей точки определяем напряжение покоя
между коллектором и эмиттером(
UКЭ0 = 5(5 В(
По входной характеристике (рис(3 приложения 1) находим( ток покоя
базы( напряжение покоя между базой и эмиттером( и входное сопротивление
каскада (по переменному току)(
IБ0 = 0.1 В(
UБЭ0 = 0(47 В(
RВХ ОЭ ( RВХ ~ = 860 Ом(
Сопротивление в цепи коллектора RK рассчитываем аналогично RЭ(
задавшись напряжением на нем(
URк = EK – URэ – UКЭ0 = 4(1 В(
RK = URэ / IK0 = 510 Ом(
Расчет делителя произведем( задавшись значением R2(
R2 = 10 Rвх ОЭ = 8(6 кОм(
Затем рассчитываем R1 с помощью следующего выражения(
(EК – (URэ – UБЭ0)) R2 Rвх
R1 = –––––––––––––––––––––– = 20 кОм(
(URэ – UБЭ0) (R2 + Rвх)
где
URэ + UБЭ0
Rвх = –––––––––– = 28(7 кОм(
IБ0
Сопротивление нагрузки цепи коллектора переменному току RK0 образовано
параллельным соединением RН и RК и равно
1
RК~ = –––––––––– = 436 Ом(
1 1
–– + ––
RК RН
Максимальный ток нагрузки равен
UН
IНМ = –––– = 4(6 мА(
RК
масимальный входной ток каскада
IНМ 4(6
Iвх м = ––– = ––– = 0(09 мА(
(мин 50
отсюда коэффициент усиления каскада по току
UН
КI = –––––– = 7(4(
RН Iвх м
Максимальное входное напряжение
Uвх м = Iвх м Rвх ОЭ = 0(077 В(
откуда получаем коэффициент усиления по напряжению
UН
KU = –––– = 26(
Uвх м
Для расчета разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2 необходимо задаться
коэффициентом частотных искажений на нижней рабочей частоте МНР( вносимых
этим конденсатором( распределяя заданные допустимые искажения MН = 1(2 дБ
между разделительным Ср и блокировочным СЭ конденсаторами( Пусть
МНР = МНЭ = 0(6 дБ = 1(07 раза(
тогда
0(159
Ср1(2 ( –––––––––––––––––––– = 6 мкФ(
fн (RК + RН) ( МНР2 – 1
a
__________________
0.16 ( (1+S”ЭС RЭ)2 – МНЭ2
СЭ ( ––––––––––––––––––––––––– = 6000 мкФ(
fн RЭ ( МНЭ2 – 1
где
1 + (макс
S”ЭС = ––––––––––– = 0(1 См(
Rист + Rвх ОЭ
где
Ri Rдел
Rист = –––––––– = 2(7 кОм(
Ri + Rдел
где( в свою очередь(
R1 R2
Rдел = –––––––– = 6 кОм(
R1 + R2
Теперь рассчитаем коэффициент частотных искажений на верхней рабчей
частоте MВ
_____________
MВ = ( 1 + ( 2 ( fВ (В ) (
здесь
(В = С0 Rэкв (
где
0(16
С0 ( Свх дин = ––––––– + СК (1 + КU) = 1.9
( 10–10 Ф(
f( Rвх ОЭ
где СК для выбранного транзистора СК = 7 пФ( Далее
Rвх ОЭ Rист
Rэкв = –––––––––– = 0(65 кОм(
Rвх ОЭ + Rист
Отсюда значение (В = 0(012мкс и MВ = 1(18( или в децибелах МВ =1(5 дБ(
что соответствует поставленной задаче(
Расчет амплитудно-частотной характеристики каскада
Нашей задачей является выяснение поведения АЧХ каскада в его полосе
пропускания и в прилегающих к ней областях( Диапазон охваченных расчетом
частот простирается от 0(1 fВ до 3 fВ( т(е( от 2 Гц до 6 Мгц(
Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на низких (( = 10 (((
10000 рад/с) частотах представлена на рис(4 приложения 1(
Коэффициент усиления каскада по напряжению
UН
KU = –––– (
UВХ
где
UН = IН RН(
где
URк
IН = ––––––––– (
1
RН + ––––
j(C2
где
URк = iК RК = (SU1 – iн) RК(
Подставим это выражение в предыдущее и после несложных преобразований
получим
j(C2 S RК
Iн = ––––––––––––––––– U1(
j(C2 (RК + RН) + 1
Теперь серией последовательных шагов найдем UВХ в зависимости от U1(
напрэжение на RЭ
IЭ S U1 + gвх U1
URэ = ––– = ––––––––––––(
gЭ 1
j(CЭ + –––
RЭ
напряжение на Rдел
S + gвх
URдел = U1 + URэ = U1 + –––––––––––– U1(
1
j(CЭ + –––
RЭ
ток делителя
iдел = URдел / Rдел
входной ток каскада
iвх = U1 gвх + iдел
теперь
iвх
Uвх = ––––– + URдел (
j(C2
откуда после подстановок iвх( URдел и серии преобразований получаем
[1 + j(RЭСЭ + (S + gвх) RЭ] (1 + j(C1 Rдел)
gвх + ––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Rдел (1 + j(RЭСЭ)
Uвх = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– U1(
j(C1
Наконец( подставляем найденные Uвх и IН RН в формулу для КU( а затем(
перейдя к численным значениям номиналов элементов и упростив полученное
выражение( найдем модуль К в следующем виде(
_______________
КU = ( (a2 + b2) / (c2 + d2) (
здесь
a = –0(11 (2(
b = –0(19 (3(
c = 137(3 – 1(56 (2(
d = 73(9 ( – 0(0014 (3(
График АЧХ каскада на низких частотах представлен на рис(7(8(9
приложения 1(
Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на средних (( = 10000 (((
100000 рад/с) частотах представлена на рис(5 приложения 1(
Коэффициент усиления каскада по напряжению
UН
KU = –––– (
UВХ
где
UН = S UВХ (RК || RН)(
Подставляя последнее выражение в формулу для КU( получим
S RК RН
KU = –––––––– = 140(
RК + RН
Таким образом( мы видим( что на средних частотах заданного диапазона
коэффициент усиления по напряжению не зависит от частоты и равен 140(
График АЧХ каскада на низких частотах представлен на рис(10 приложения
1(
Эквивалентная схема каскада для расчета АЧХ на высоких (( = 105 (((
4(107 рад/с) частотах представлена на рис(6 приложения 1(
Коэффициент усиления каскада по напряжению
UН
KU = –––– (
UВХ
Ток в цепи коллектора
h21Э I1 = iCвых + iRк + iRн + iCн (
или
h21Э I1 = UН (gCвых + gRк + gRн + gCн)(
откуда
h21Э I1
UН = ––––––––––––––––––– (
gCвых + gRк + gRн + gCн
Здесь ток I1 можно представить в виде
I1 = UВХ gвх (
а( следоваательно(
h21Э gвх
КU = ––––––––––––––––––– (
gCвых + gRк + gRн + gCн
Здесь
gCвых + gCн = j( (Cвых + Сн)(
где Cвых = СК = 7 пф( а Сн = 50 пф(
1
gн = –– (
RН
следовательно
h21Э gвх
КU = ––––––––––––––––––––––– (
1 1
j( (Cвых + Сн) + –– + ––
RН RК
Подставляя численные значения номиналов и находя модуль коэффициента
усиления( имеем
________
КU = a /( (b2 + c2) (
где
а = 320(
b = 2.29(
c = 0.57 ( 107 ((
Из полученного выражения легко видеть( что при увеличении частоты
коэффициент усиления падает( что и изображено на рис 11(12 приложения 1
(АЧХ каскада на высоких частотах)(
Расчет частотной характеристики каскада с элементом ВЧ коррекции
Для поднятия АЧХ каскада на высоких частотах в цепь коллектора
транзистора вводят элемент ВЧ коррекции в виде дросселя с индуктивностью L(
В нашем случае необходимо ввести L = 0(01 мГн(
Схема такого каскада представлена на рис(1 приложения 2(
Расчет резистивного каскада с вышеупомянутыми изменениями в целом
аналогичен расчету каскада без коррекции для высоких частот (см( п( 2(2)(
за исключением того( что в выражение для проводимости коллекторной ветви
схемы будет входить кроме RК также еще и сопротивление дросселя( зависящее
от частоты( j(L(
Эквивалентная схема для нижеследующего расчета представлена на рис(2
приложения 2(
Итак( коэффициент усиления каскада по напряжению
h21Э gвх
КU = ––––––––––––––––––– (
gCвых + gRк + gRн + gCн
Здесь
gCвых + gCн = j( (Cвых + Сн)(
где Cвых = СК = 7 пф( а Сн = 50 пф(
1
gн = –– (
RН
а
1
gк = –––––––––(
RК + j(L
Подставляя выражения для проводимостей в выражение дла КU( а затем
приведя получившееся выражение к стандартному виду( имеем(
h21Э gвх
KU = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––(
j [( (Cвых + Сн) – (L / (RК2 + (2 L2)] + 1 / RН + RК / (RК2 +
(2 L2)
Отсюда( подставив значения констант и упростив полученне выражение(
найдем модуль коэффициента усиления каскада по напряжению в виде
________
КU = a /( (b2 + c2) (
где
а = 320 ( 10–3(
1
b = 3(33 ( 10–4 + ––––––––––––––––––––(
510 + 1(96 ( 10–13(2
10–5(
с = 4 ( 10–10( – –––––––––––––––––(
2(6 ( 10–5 +10–10(2
Полученная зависимость коэффициента усиления от частоты представлена
на одном рисунке (рис(3(4 приложения 2) с АЧХ каскада без коррекции(
Рисунок наглядно показывает преимущества каскада с коррекцией перед
каскадом без коррекции – АЧХ каскада остается линейной далеко за пределами
заданной верхней граничной частоты(
Расчет компенсационного стабилизированного источника напряжения
компенсационного типа
Для нормальной работы усилителя на него необходимо подавать устойчивое
постоянное напряжение питания( Так как для реализации этого условия
простого выпрямителя переменного напряжения недестаточно( между последним и
усилительным устройством ставят стабилизатор напряжения( который сглаживает
пульсации напряжения питания( тем самым обеспечивая корректную работу
усилительного устройства(
Компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой управляемый
делитель входного напряжения, состоящий из сопротивления нагрузки и
регулирующего элемента, работающего в линейном (усилительном) режиме.
Выходное напряжение стабилизатора сравнивается с эталонным (опорным) и
возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается усилителем и
воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы
выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня.
Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения
приведена на рис(1 приложения 3(
Исходные параметры стабилизатора следующие(
– нестабильность входного напряжения
aвх(((((((((((((((((((((((((((((((((((0(15
– нестабильность выходного напряжения
авых(((((((((((((((((((((((((((((((0(001
– выходное напряжение Uвых(
В(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((12
Максимальный выходной ток Iвых есть сумма токов делителя и коллектора(
т(е(
EК
Iвых = Iдел + IК0 = ––––––– + IК0 = 8(4 мА(
R1 + R2
или( с запасом(
Iвых = 10 мА(
Входное напряжение стабилизатора выберем из условия
Uвх – (Uвх > Uвых + (Uвых (
или
Uвх (1 – aвх) > Uвых (1 + авых)(
или( подставив числа(
Uвх > 14(2 В(
Выберем значение входного напряжения с запасом(
Uвх = 18 В(
Далее( максимальное напряжение эмиттер-коллектор транзистора VT1
UКЭ1макс = Uвх + (Uвх – Uвых + (Uвых = 8(7 В(
Выберем транзистор VT1 таким же( как и транзистор усилителя: КТ315Б(
Для него
UКЭ1макс = 8(7 В < UКЭ макс доп = 25 В(
а
IК1 ( Iн макс = 10мА < IК доп = 100мА(
Выберем опорный стабилитрон из соображений( что напряжение на нем
должно быть меньше минимального выходного напряжения стабилизатора:
Uоп < Uвых – (Uвых (
Выбираем стабилитрон КС168А( т(к( его опорное напряжение – 6(8 В –
удовлетворяет поставленному условию( Теперь выберем транзистор VT2(
задавшись максимальным напряжением коллектор-эмиттер(
UКЭ2макс = Uвых макс – Uоп = Uвых + (Uвых – Uоп = 5(2 В(
Из соображений технологической простоты и стоимости выберем транзистор
таким же( как и предыдущий – КТ315Б – так как он удовлетворяет
поставленному условию(
Номиналиный ток стабилитрона Iст( ном = 20мА( Зададимся IЭ2 = 10 мА(
тогда
| Uвых – Uоп |
R2 = –––––––––––– = 0(51 кОм(
Iст( ном – IЭ2
а
| Uвх – Uн макс|
R1 = ––––––––––––– = 0(6 кОм(
IБ1 макс – IК2
Здесь
Iн макс
IБ1 макс = ––––––– = 0(2 мА(
(1 + 1
Теперь рассчитаем сопротивления делителя R3R4R5 (
| Uвых мин – Uоп |
R3 = ––––––––––––– = 1(8 кОм(
Iдел
где
IК2
Iдел = 15(((20 ––– = 3мА;
(2
далее(
| Uвых макс – Uоп |
R4 = ––––––––––––– = 1(8 кОм(
Iдел
а
| Uоп |
R5 = –––––––– = 1(8 кОм(
Iдел
Расчет выпрямителя
Выпрямитель источника напряжения строится по схеме, и изображенной на
рис. 2 приложения 3. Трансформатор Т понижает напряжение сети до 18 В,
диоды V1-V4, включенные по мостовой схеме, выпрямляют это напряжение, а
конденсатор фильтра Cф сглаживает его пульсации.
Нагрузкой выпрямителя является стабилизатор напряжения питания
усилителя( отсюда имеем исходные параметры для расчета выпрямителя(
Uн = 18 В(
Iн макс = 0(1 А(
Далее( зная ток нагрузки, определяем максимальный ток, текущий через
каждый диод выпрямительного моста:
IVD = 0.5 ( А ( Iн max = 0(12 А
Здесь А ~ 2.4(
Т. о., для выпрямителя можно использовать диоды серий Д7, Д226, Д229 с
любыми буквенными обозначениями, поскольку их средний выпрямленный ток и
обратное напряжение значительно больше расчетных.
Выбираем диоды Д226Б.
Обратное напряжение диодов должно быть в 1.5 раза больше напряжения
источника питания:
Uобр = 1.5 ( Uн = 27 В
Емкость фильтрующего конденсатора определяют по формуле:
Iн
Сф = 3200 ( ––––––––– [мкФ](
(Uн ( Kп )
где Kп – коэффициент пульсаций выпрямленого напряжения – обычно
берется равным 0(01( откуда
Сф = 2000 мкФ(
Номинальное напряжения конденсатора Сф берем равным 25В.
Теперь произведем электрический расчет трансформатора блока питания(
Габаритная мощность трансформатора
PГ = UН IН / (= 2(25 Вт(
Здесь ( = 0(8 – коэффициент полезного действия трансформатора( Им мы
задаемся(
Далее( площадь сечения сердечника составит
–––
S = 1(2( PГ = 1(8 см(
Легко видеть( что в данном случае имеет смысл использовать
магнитопровод с минимальной площадью сечения сердечника( поэтому принимаем
магнитопровод УШ15x15 (площадь поперечного сечения принимается равной 2,25
см2).
Далее( рассчитываем число витков на 1 вольт(
k
n = –– = 18(
S
где k берется равным 40( Теперь число витков первичной обмотки
WI = UI ( n = 3960(
а вторичной
WII = UI ( n = 324(
Ток первичной обмотки
PГ
II = ––– = 8(2 мА(
UI
Выберем для обеих обмоток провод ПЭВ-2( Диаметр провода первичной
обмотки
––
dI = p( II = 0(06 мм(
где p = 0(69 для выбранного типа провода( Диаметр провода вторичной
обмотки
––
dII = p( III = 0(1 мм(
Таким образом( для первичной и вторичной обмоток трансформатора можно
использовать провод диаметром 0,1…0,12 мм(
Заключение
В результате выполнения курсового задания я разобрался в принципах
работы усилителя электрических сигналов( научился рассчитывать резисторный
каскад предварительного усиления, частотные характеристики такого каскада(
а также транзисторный стабилизатор напряжения.
Список литературы
1( Бурин Л. И., Васильев В. П., Каганов В. И. под редакцией Линде Д.
П. Справочник по радиоэлектронным устройствам; том 2. – М.: Энергия. 1978.
–440 с.
2( Гершунский Б. С. Расчет основных электронных и полупроводниковых
схем на транзисторах. – К.: Изд. Киев ун-та. 1968. –422 с.
3( Изюмов Н. М., Линде Д. П. Основы радиотехники, 2-е издание,
переработанное. – М.-Л.: Энергия. 1965. –480 с.
4( Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам; 8-е
издание, переработаное. – К: Техніка. 1977. –376 с.
5( Редзько К. В., Досычев А. Л. Сборник задач и упражнений по
радиоприемным устройствам. – М.: Высшая школа. 1981. –296 с.
6( Скаржепа В. А., Новацкий А. А., Сенько В. И. Электроника и
микроэлектроника: лабораторный практикум. – К.: Высшая школа. 1989. –297 с.
7( Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Полупроводниковые приемно-
усилительные устройства: Справочник радиолюбителя, 4-е издание,
стереотипное. – К.: Наукова думка 1989. –800 с.
8( Терещук Р. М., Терещук К. М., Чаплинский А. Б., Фукс Л. Б., Седов
С. А. Малогабаритная радиоаппаратура: Справочник радиолюбителя, 3-е
издание, переработанное и дополненое. – К.: Наукова думка. 1975. –600 с.
9( Усатенко С. Т., Каченюк Т. К., Терехова М. В. Графическое
изображение электрических схем: Справочник. – К.: Техника. 1986. –120 с.
10( Цыкин Г. С. Электронные усилители, 3-е издание, дополненое. – М.:
Связь. 1965. –512 с.
11( Цыкина А. В. Усилители. – М.: Связь. 1972. –360 с.
12. Беляев С.В., Кабызев Г.Н. Усилительные устройства. –М.: МВГУ,
1977, - 98 с.
13. Фишер Дж.Э., Гетланд Х.Б. Электроника от теории к практике. - М.:
Энергия, 1980, - 398 с.
14. Борисов В.Г. Кружок радиотехнического конструирования. - М.:
Просвещение, 1990, - 224 с.
15. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1985, -
488 с.
16. Скаржепа В.А. и др. Электроника и микросхемотехника. Лабораторный
практикум. - К.: Вища школа, 1989, - 279 с.
| |
