Міністерство загальної та професійної освіти Російської Федерації
Південно-Уральський державний університет
Кафедра Автоматики і Управління
Підсилювачі низької частоти
Пояснювальна записка до курсового проекту
за курсом: «Електронні пристрої автоматики»
Керівник
Казьмін О.М.
" " 2000
Автор роботи
студент групи ПС-451
Аксьонов А.Ю.
" " 2000
Робота захищена з оцінкою
" " 2000
Челябінськ
2000
Південно-Уральський державний університет
Кафедра Автоматики і Управління
2000/2001 навчальний рік
ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ
на курсове проектування за курсом Електронні пристрої автоматики
студенту групи ПС-451 Аксьонову А.Ю.
Видано 1 жовтня 2000
Термін виконання
Тема проекту "Підсилювач низької частоти"
Номер варіанта 0 976 258 191 538 294 999 962
Вихідні дані проекту
тип пристрою - підсилювач низької частоти;
опір у навантаженні, Ом;
максимальна напруга на навантаженні, В;
мінімальна частота смуги пропускання Гц;
максимальна частота смуги пропускання Гц;
коефіцієнт частотних спотворень на граничних частотах дБ;
форма частотної характеристики обвідної спектр генерованого сигналу - плоска;
коефіцієнт нелінійних спотворень %;
вихідний опір пристрою Ом;
вхідний опір пристрою МОм;
ЕРС генератора вхідного сигналу мВ;
вихідний опір генератора вхідного сигналу МОм;
діапазон регулювання вихідної величини у% від максимального значення %;
діапазон зміни температури середовища ;
вид живлячої напруги 220В , 50 Гц.
Зміст розрахунково-пояснювальної записки.
Обгрунтування та вибір принципової схеми пристрою.
Розрахунок основних вузлів пристрою.
Перелік графічного матеріалу
Принципова схема пристрою.
Креслення конструкції пристрою.
Друкована плата пристрої.
Підпис викладача
Анотація
Аксьонов А.Ю. Підсилювач низької частоти: Пояснювальна записка до курсової роботи з курсу "Електронні пристрої автоматики".
Челябінськ: ЮУрГУ, 2000. - 20с.
У курсовому проекті розглядається побудова електронного пристрою. Цей курсовий проект є одним із способів вирішення конструювання підсилювача низької частоти. Багато рішень реалізації функціональних блоків запозичені з вже існуючих реальних схем, тому багато дані наводяться на основі дослідних даних. В основі даного курсового проекту лежить підсилювач потужності звукової частоти, побудований на транзисторах з n - p - n і p - n - p переходами.
Крім розрахунків принципової схеми у цій роботі також представлені принципова схема, один із варіантів розташування елементів на платі і розведення до них, специфікація елементів.
Проект реалізований у програмному середовищі Word 97, всі розрахунки проведені в програмному пакеті Mathcad pro 7.0, моделювання схеми вироблено в середовищі Electronics Workbench. Для розведення плати використані програмні пакети Orcad Captur 7.2, Layoute Plus 9.0.
Іл. 10, список літ. - 11 назв.
Зміст
Введення.
1. Обгрунтування і вибір функціональної схеми пристрою
2. Вибір і розрахунок функціональної схеми
2.1 Вхідний підсилювач
2.2 Регулятор рівня
3. Попередній підсилювач і підсилювач потужності
4. Вибір зворотного зв'язку та операційного підсилювача для ВУ та ПУ
5. Джерело живлення
6. Харчування операційних підсилювачів
7. Висновок
8. Список літератури
Введення
Завданням курсового проектування є закріплення теоретичних положень курсу електронних пристроїв, а також поглиблення і придбання нових знань при самостійній роботі з літературними джерелами, набуття навичок практичного проектування конкретних електронних пристроїв, в тому числі із застосуванням ЕОМ.
В даний час для інженерних розрахунків широко застосовуються різні пакети прикладних програм орієнтованих на різні види розрахунків. У курсовій роботі для розрахунків використовувалися наступні пакети:
- MathCad 8.0 - для проведення розрахунків пояснювальної записки.
- Electronics WorkBench 4.1 - для моделювання розрахованих вузлів.
- OrCad 7.00 - для побудови принципової схеми всього пристрою
-Для створення креслень за відповідним ГОСТам.
- Microsoft Word 97 - для написання пояснювальної записки.
1. Обгрунтування і вибір функціональної схеми
Низькочастотний підсилювач проектується на основі вхідного підсилювача, попереднього підсилювача і підсилювача потужності. Для забезпечення потрібної величини вхідного опору і корекції спотворень частотної характеристики використовується вхідний підсилювач. Для забезпечення якісних показників вихідного сигналу використовується підсилювач потужності з глибоким негативним зворотним зв'язком. Для забезпечення блоків апаратури вихідними напругами (струмами) заданого номіналу і якості використовується джерело живлення. Функціональна схема підсилювача низької частоти представлена на рис.1.
Рис. 1
ВУ - вхідний підсилювач;
РУ - регулятор рівня;
ПУ - попередній підсилювач;
УМ - підсилювач потужності;
ЦООС - ланцюг частотно-залежною зворотного зв'язку;
На підсилювач потужності надходить сигнал від джерела поступає через розділову ємність (C р) з вхідного підсилювача (ОП), який служить для забезпечення заданого вхідного опору (R вх). Розділова ємність необхідна для зменшення дрейфу нульового рівня вихідної напруги. Для регулювання величини вихідної напруги сигнал з вхідного підсилювача надходить на регулятор рівня (РУ).
Джерело живлення є випрямним пристроєм і складається з чотирьох вузлів: трансформатора, вентильного комплекту (діодний схема), що згладжує фільтру і стабілізатора постійної напруги.
Трансформатор необхідний для отримання заданої напруги.
Вентильний комплект необхідний для випрямлення змінної напруги. В якості випрямляча використовую однофазну бруківку схему. Схема застосовується на вихідні потужності до 1 кВт.
Переваги схеми: підвищена частота пульсацій, низька величина зворотного напруги, добре використання трансформатора.
Недоліки: потреба у чотирьох вентилях, підвищений падіння напруги на вентильному комплекті.
Згладжує фільтр використовується для ослаблення пульсацій. Використовуємо конденсатор.
2. Вибір і розрахунок елементів функціональної схеми
2.1 Вхідний підсилювач
Вхідний підсилювач повинен забезпечити вхідний опір, задане в технічному завданні, корекцію спотворень частотної характеристики і попереднє підсилення корисного сигналу. В якості вхідного підсилювача виберемо схему неінвертірующего підсилювача на операційному підсилювачі (рис.2).
Рис. 2
Знайдемо напругу, що подається на вхідний підсилювач
(2.1)
Коефіцієнт посилення по напрузі всієї схеми визначиться як:
(2.2)
Нехай вхідний підсилювач забезпечує посилення вхідного сигналу за напругою до 2 В, а також забезпечує вхідний опір устрою R вх = 0,1 МОм.
(2.3)
Розрахуємо опору зворотного зв'язку
, (2.4)
т.ч. згідно з рядом Е24: ,
.
Конденсатор З 2 зменшує коефіцієнт посилення ВУ на частотах менше нижньої граничної, тому вибираємо його номінал з умови:
(2.5)
У смузі пропускання вхідний опір ВУ Rвх = R 1 ïç (Rоудіф + R 2) @ R 1.
Розділову ємність СР1 виберемо виходячи з нижньої граничної частоти:
, (2.6)
Для того щоб спотворення на нижній граничній частоті були менше збільшимо ємності конденсаторів: ,
.
Виберемо операційний підсилювач. Основним параметром для вибору ОУ є частота одиничного посилення. Виходячи з того, що верхня гранична частота вхідного сигналу f max = 200 кГц і спад логарифмічною АЧХ операційних підсилювачів в області верхніх частот становить -20 дБ / дек, то для ВУ необхідний операційний підсилювач з частотою одиничного посилення fед ³ f max * Ku = 0.96 МГц. Швидкість наростання вихідної напруги операційного підсилювача повинна задовольняти величиною вихідного сигналу на верхній граничній частоті:
V U вих ³ 2 * p * f max * U ву (2.7)
V U вих ³ 2,513 В / мкс.
Згідно з цими вимогами виберемо операційний підсилювач 140УД26А.
Параметри операційного підсилювача:
напруга зсуву: 0.03 (мВ);
вхідний струм: 40 (нА);
напруга живлення: 15В;
струм споживання: 4.7 (мА);
максимальна вихідна напруга: 13.5 (В);
максимальний вихідний струм: 10 (мА);
швидкість наростання вихідного сигналу: 11 ;
вхідний опір: 10 (МОм);
вихідний опір: 200 (Ом).
частота одиничного посилення 16 МГц
Рис. 3 Логарифмічна частотна характеристика вхідного підсилювача
2.2 Регулятор рівня
Регулятор рівня необхідний, щоб забезпечити заданий в технічному завданні діапазон регулювання вихідної величини, що дорівнює -40% від максимального значення. Виберемо схему регулятора рівня, представлену на рис.4.
Рис. 4
Опору резисторів R 4 і R 5 знаходяться в такій залежності:
. (2.8)
З цього виразу знаходимо R 4 = 40 кОм, R 5 = 60 кОм. Величина розділової ємності C 3 та резистора R 6 знаходиться з передавальної функції, яку вони утворюють:
. (2.9)
Такому чином мінімальна частота повинна бути менше або дорівнює
.
, (2.10)
Звідси R 6 = 200 кОм C 3 = 1,5 мкФ. Коефіцієнт передачі регулятора рівня на заданому інтервалі частот дорівнює одиниці.
3. Попередній підсилювач і підсилювач потужності
Принципова схема зображена на рис.5
Рис.5
Схема складається з попереднього підсилювача, побудованого на операційному підсилювачі, і кінцевого каскаду, що є підсилювачем потужності, охоплених ланцюгом загальної негативного зворотного зв'язку (ЦООС).
Напруга на вході ПУ
(3.1)
Коефіцієнт підсилення схеми по напрузі дорівнює:
(3.2)
Розподілимо його наступним чином:
Нехай коефіцієнт посилення ПП по напрузі дорівнює:
;
коефіцієнт посилення УМ по напрузі дорівнює
.
Спочатку розрахуємо підсилювач потужності.
УМ побудований на транзисторах VT 1 - VT 4, резисторах R 6 - R 11 і діодах VD 1, VD 2.
(3.9)
, Де
-Залишкова напруга на транзисторі.
Вибір транзисторів VT 2, VT 4.
(3.10)
- Максимальний струм колектора;
(3.11)
- Максимальний струм навантаження;
- Середнє значення струму навантаження;
- Максимальна потужність;
(3.12)
- Максимальна напруга колектор - емітер.
Відповідно до розрахованими параметрами виберемо пару транзисторів КТ825В (p - n - p) і КТ824В (n - p - n).
Параметри транзисторів:
максимальна напруга колектор - емітер: 65 (В);
статичний коефіцієнт передачі струму: ;
максимальна розсіює потужність: ;
максимальний струм колектора: ;
робочі напруга транзистора: ;
напруга відкривання транзистора: ;
струм витоку: ;
температура переходу t п = 175 0 С;
Так дані транзистори є потужними, то при роботі в схемі вони дуже сильно нагріваються і можуть згоріти від перегріву. Для нормальної роботи цих елементів потрібно встановлювати їх на радіатори. Розрахуємо площу тепловідведення для даних транзисторів.
Підставивши дані отримаємо: S> 7.5 см 2, приймемо S = 9 см 2.
Зробимо вибір резисторів R 9 і R 8 (на загальній схемі - R 10 і R 13, відповідно) використовуючи умови протікання струму витоку через резистор R 6:
>
<
,
(3.13)
- Робочий струм бази транзисторів.
Тоді опір R 13 знайдемо за формулою:
(3.14).
. R 10 = R 13 = 900 (Ом).
Виберемо опору R13 і R10 з ряду Е24: R13 = R10 = 910 (Ом.).
(3.15)
- Потужність розсіюється на цих резисторах,
виберемо Р R 13 = P R 10 = 0.125 (Вт).
Вибір транзисторів VT 1, VT 3.
(3.16)
Максимальний струм через транзистор VT 1 дорівнює:
.
(3.17)
Максимальна напруга на транзисторі VT 1 одно:
.
(3.18)
Потужність, що розсіюється на транзисторі дорівнює:
.
Виберемо пару комплементарних транзисторів КТ820Б (pnp) і КТ821Б (npn). Параметри транзисторів:
напруга колектор емітер: ;
статичний коефіцієнт передачі: ;
максимальна розсіюється потужність: ;
максимальний струм колектора: .
температура переходу t = 125 0 C.
Дані транзистори також належать до класу потужних і для них потрібні тепловідводи. Розрахуємо площа радіаторів аналогічно попередньому випадку і отримаємо: S> 138 см 2, звідси S = 150 см 2.
Вибір діодів VD 1 і VD 2.
Вибір діодів здійснюється за середнім прямому струму та середньому зворотному напрузі на діоді
.
Розрахуємо струм діода:
(3.19)
.
За вихідний характеристиці для транзистора VT 1 задавшись струмом , Знайдемо напруження
, Отримаємо
= 0.35 (В). Тоді напруга на діоді одно
. Виберемо діоди МД3:
середнє зворотна напруга діода: ;
середній прямий струм: .
Вибір резисторів R 6, R 7 (на загальній схемі - R 9 і R 12).
(3.20)
- Струм через резистор R 8.
тоді
(3.21)
тоді , Причому
, Візьмемо їх з ряду Е-24.
(3.22)
- Потужність, що розсіюється на резисторах,
виберемо .
Вибір резисторів R 10, R 11 (на загальній схемі - R 14 і R 11)
Вибір зробимо з умов:
і
(3.23)
отримуємо: і
. (3.24)
тоді: ,
.
Виберемо опору R 14, R 11 з ряду Е24: R 14 = 180 (Ом), R 11 = 680 (Ом).
Знайдемо потужність рассеиваемую на резисторах:
,
(3.25)
,
.
виберемо: ,
.
4. Вибір зворотного зв'язку та ОУ для ВУ та ПУ
За умовою технічного завдання необхідно забезпечити величину коефіцієнта нелінійних спотворень УМ відповідно до технічного завдання . Визначимо величину глибини ООС за формулою:
. (3.26)
- Коефіцієнт нелінійних спотворень УМ без ООС. При розрахунку приймемо
= 10%, тоді А = 50,5. Коефіцієнт посилення ЗУ попереднього каскаду УМ без ООС дорівнює:
. (3.27)
.
Частота зрізу ОУ для попереднього підсилювача не повинна бути менше величини:
. (3.28)
- Мінімальна частота зрізу ОУ для ПУ.
Швидкість наростання вихідної напруги ОП повинна задовольняти величиною вихідного сигналу на верхній граничній частоті:
(3.29)
отже: .
Виберемо операційний підсилювач 140УД26А.
Параметри операційного підсилювача:
коефіцієнт підсилення: ;
напруга зсуву: 0.03 (мВ);
вхідний струм: 40 (нА);
напруга живлення: 15В;
струм споживання: 4.7 (мА);
максимальна вихідна напруга: 13.5 (В);
максимальний вихідний струм: 10 (мА);
швидкість наростання вихідного сигналу: 11 ;
вхідний опір: 10 (МОм);
вихідний опір: 200 (Ом).
Глибина ООС дорівнює:
(3.30)
підставивши значення, отримаємо:
коефіцієнт нелінійних спотворень:
.
Опір R 5 (загальною схемою - R 8) візьмемо рівним R6: (Ряд Е-24).
Знайдемо R 4 (на загальній схемі R 7):
, Звідки
, Тоді:
(Ряд Е-24).
Всі опору потужністю 0.125.
Розрахуємо ємність C 2 (на загальній схемі С4) виходячи з граничної частоти смуги пропускання, що дорівнює 5 (Гц):
(3.31)
(Ряд Е-12).
5. Джерело живлення
Загальна схема джерела живлення зображена на рис.6.
Рис.6.
Джерело живлення складається з понижувального трансформатора, діодного моста, виконаного на діодах (VD 1 - VD 4), двох конденсаторів і двох стабілізаторів напруги.
Вибір конденсаторів.
Так як U = 32 (В), то беремо конденсатор, розрахований на 50 (В).
Напруга пульсацій становить 5% від U: 2 U ~ п = 0.05 * 50 = 2.5 (В).
(3.32)
- Ємність конденсатора.
Вибираємо ємність С = 3300 (мкФ), тоді
.
Вибираємо конденсатор К50-33.
Вибір трансформатора.
(3.33)
-Мінімальне напруження у вторинній обмотці.
(3.34)
- Номінальна напруга у вторинній обмотці.
(3.35)
- Максимальна напруга у вторинній обмотці.
напруга вторинної обмотки:
струм вторинної обмотки:
потужність вторинної обмотки:
За отриманими даними виберемо трансформатор ТПП297:
тип і розміри сердечника: ПЛМ 20х32х58 (мм);
потужність: 110 (Вт);
струм первинної обмотки: 1.08/0.620 (А);
струм вторинної обмотки: 1.53 (А);
напруга вторинної обмотки: 9.93 (В);
напруга вторинної обмотки: 20 (В);
напруга вторинної обмотки: 5.05 (В);
Вибір діодів.
Використовуємо мостову схему з'єднання діодів, вона зображена рис.7:
Рис.7.
;
(3.36)
- Зворотна напруга на діодах;
;
Виберемо діоди Д229Ж:
максимальне зворотне напруга: 100В;
максимальний прямий струм: 0.7А.
Вибір стабілізатора напруги.
Виберемо в якості стабілізатора напруги мікросхему КР142ЕН.
КР142ЕН12 - регульований трехвиводний стабілізатор додатної напруги, що дозволяє живити пристрої струмом до 1,5 А у діапазоні від 1,2 до 37 В. Цей стабілізатор має повний захист від перевантажень, що включає внутрішньосхемного обмеження по струму, захист від перегріву і захист вихідного транзистора.
Параметри мікросхеми:
вихідна напруга: 2-37 (В);
вихідний струм: 0,5 (А),
теплоопір R = 4 0 С / Вт;
потужність розсіювання 20 Вт.
Схема включення мікросхеми для позитивного вихідної напруги зображена на рис.8:
Рис.8.
Розрахуємо параметри схеми включення стабілізатора.
За замовчуванням дана схема має наступні параметри:
R 1 = 120 Ом;
C in = 0.33 мФ;
C out = 0.1 мф.
Опір R 2 визначається в залежності від того, яке напруження треба отримати на виході. Як було виведено раніше Е до = 32 В. Значить, щоб на виході отримати 32 В, необхідно вибрати опір R 2 за формулою:
, Згідно з ряду Е24.
У результаті цього на виході стабілізатора отримаємо 32 В.
Для стабільної роботи даної мікросхеми потрібно тепловідвід. Аналогічно, як і для транзисторів розрахуємо його: S> 373 см 2, приймемо S = 400 см 2.
Але для живлення схеми потрібно дві напруги +32 В і -32 В. Для організації негативної напруги скористаємося аналогічної мікросхемою КР142ЕН18. Схема підключення даного стабілізатора така ж, як для мікросхеми КР142ЕН12, з тими ж номіналами.
6. Харчування операційних підсилювачів
Харчування операційних підсилювачів будемо здійснювати за схемою, вона зображена на рис.9:
Рис.9.
Так як харчування операційних підсилювачів одно 15 (В), то виберемо стабілітрон КС515А:
струм стабілізації номінальний: 5 (мА);
напруга стабілізації при : 13.5 ... 15 * ... 16.5 (В).
Знайдемо опір: ,
(3.38)
,
розсіює потужність: (3.39)
розсіює потужність: .
Виберемо опору з ряду Е24: номінал 1.8 кОм, розсіюється потужність 0.5 (Вт).
7. Висновок
В результаті виконання даного курсового проекту, на практиці освоїли і закріпили теоретичний матеріал з курсу електроніки. На практики освоїли розрахунок і вибір елементів схеми, розробленої в даній роботі. У ході пошуку та підбору елементів засвоїли нові тонкощі деяких понять і приладів. Результатом отриманих знань є даний курсовий проект. За допомогою допоміжних програм побачили роботу моделі даної схеми і отримали роздруківку елементів, так як вони повинні виглядати на друкованій платі.
8. Список літератури
Алексенко А.Г., Коломбет Е.А, Стародуб Г.І. Застосування прецизійних аналогових ІС. - М.: Радіо і зв'язок, 1981.
Транзистори для апаратури широкого застосування / під ред. Перельмана Б.Л.-М.: Радіо і зв'язок, 1981.
Гутников В.С. Інтегральна електроніка у вимірювальних пристроях. - Л.: Етергоатоміздат. Ленінградське відділення, 1988.
Кізлюк А.І. Довідник з улаштування та ремонту телефонних апаратів зарубіжного та вітчизняного виробництва. - М.: Антелком, 1998.
"Радіо" № 12, 94
"Радіо" № 9, 93
"Радіо" № 4, 90
Китаєв В.Є., Бокуняев А.А. Розрахунок джерел електроживлення пристроїв зв'язку. - М.: Зв'язок, 1979.
Забродін Ю.С. Промислова електроніка. - М.: Вища школа, 1982.
Акімов М.М., Ващук Є.П., Прохроненко В.А, Ходоренко А.А. Резистори, конденсатори, трансформатори, дроселі, комутаційні пристрої РЕА. Довідник. Мінськ Білорусь, 1994.
Резистори (довідник) / під ред. Четверкова І.І. - М.: Вища школа, 1981.