Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра Электротехники

КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Электротехника и электроника»

Тема: Разработка и расчет электронного устройства

	Преподаватель
	_______________________________ (дата      оценка    роспись )
	Выполнила

Красноярск, 2008 год

Задание:
1. Выбрать и рассчитать схему усилительного устройства, описать принцип ее  работы.

Дано:

-         Напряжение генератора, Е_г                                             0,25   В;

-         Сопротивление генератора, R_г                              1        кОм;

-         Сопротивление нагрузки, R_н                                 40      Ом;

-         Мощность нагрузки, Р_н                                                   0,5     Вт;

-         Тип фильтра                                                                    ППФ;

-         Тип аппроксимации фильтра                                 Баттерворта;

-         Порядок фильтра                                                             4;

-         Нижняя частота пропускания фильтра, f_н                       95      Гц;

-         Верхняя частота пропускания фильтра, f_в                      105    Гц;
2. Произвести выбор и расчет блока питания для электронных устройств, описанных в первых двух частях.


Содержание

	Реферат	4
1	Проектирование усилительного устройства
1.1	Структурная схема усилителя	5
1.2	Определение основных параметров усилителя	5
1.3	Выбор схемы входного каскада (ВК)	6
1.4	Выбор и расчет параметров усилителя напряжения (УН)	6
1.5	Выбор схемы и расчет параметров активного фильтра (АФ)	7
1.6	Выбор схемы и расчет  усилителя мощности	10
1.7	Описание схемы	12
2	Проектирование источника питания
2.1	Исходные данные для расчета	14
2.2	Выбор стабилизаторов	14
2.3	Расчет выпрямителей	14
2.4	Расчет силового трансформатора	16
	Библиографический список	19
	Приложение 1	20

Реферат

В данной курсовой работе необходимо спроектировать усилительное устройство и источник питания.

В первой части работы описан расчет и подборка микросхем для проектирования усилительного устройства.

Во второй части работы описаны расчет выпрямителей, силового трансформатора и выбор стабилизатора для проектирования источника питания.

Всего в данной курсовой работе используется 3 таблицы, 58 вычислительных формул, 10 рисунков, 1 приложение.

Для написания программного кода к вычислению сложной вычислительной формуле использовался язык Pascal.



Проектирование усилительного устройства.

1.1          
Структурная схема усилителя


Исходными данными для разработки усилителя являются: ЭДС источника сигнала – Е_г; его внутреннее сопротивление – R_г; мощность в нагрузке – Р_н; наличие в составе усилительного устройства фильтра заданного порядка и аппроксимации с требуемыми частотными характеристиками.

Рисунок 1 - Структурная схема усилительного устройства.
- Входной каскад (ВК) предназначен для согласования источника сигнала с усилительным устройством.

- Усилитель напряжения (УН) усиливает входной сигнал до необходимого уровня.

- Активный фильтр (АФ) формирует заданную частотную характеристику устройства.

- Усилитель мощности (УМ) служит для создания в нагрузке требуемой мощности усиливаемого сигнала.
1.2. Определение основных параметров усилителя

Прежде всего по исходным данным необходимо определить основные параметры усилительного устройства:

- входное сопротивление усилителя R_вх, которое нужно оптимальным образом согласовать с источником сигнала:         

                                  R_вх=(10-100)R_г                                                                   (1)

R_вх=50·1000=50 кОм.

где R_г - внутреннее сопротивление источника сигнала, Ом;
- действующее значение напряжения в нагрузке - U_н. и общий коэффициент усилителя устройства по напряжению - K_u определяются по формулам:   K_u=U_н/E_г,    где U_н имеем

K_u/E_г                                                                                                         (2)

K_u=√0,5·40/0,25=9,

где E_г- ЭДС источника сигнала, В;

P_н- мощность нагрузки, Вт;

R_н- Сопротивление нагрузки, Ом

Поскольку K_u < 10, то усилитель напряжения из схемы можно исключить, а требуемое усиление получить в усилители мощности.
1.3.       
Выбор схемы входного каскада.

Для правильного выбора  схемы ВК нужно учитывать два основных фактора: требуемое входное сопротивление  и частотную характеристику всего усилителя, которая зависит от фильтра.

Поскольку задан полосовой фильтр то возможно применение эмиттерного или истокового повторителя напряжения.

Поскольку выбранное входное сопротивление составляет 50 кОм необходимо применение истокового повторителя напряжения. Его принципиальная схема приведена на рисунке 2.




Рисунок 2 – Схема истокового повторителя.
Данная схема обладает относительно большим входным сопротивлением. Также преимуществом является то, что она существенно уменьшает входную ёмкость каскада.
1.4.       
Выбор и расчет параметров входного каскада

Принимаем стандартное напряжение питания каскада U_п=12В.

Принимаем к установке кремневый планарно-эпитаксиальный полевой транзистор с каналом типа n и диффузионным затвором марки КП303А, его характеристики таблица 1:

Таблица 1. Характеристики кремневого планарно-эпитаксиального полевого транзистора марки КП 303А

Задаем значение тока стока в рабочем режиме, по условию I_са<I_сн, принимаем I_са=1мА. Из передаточной характеристики [1, рисунок 55, стр. 42] определяем требуемое напряжение затвор-исток, которое должно подаваться на затвор полевого транзистора для задания рабочей точки каскада: U_зиа=0,2В.

Находим величину сопротивления R_и, по формуле:

                                                 R_и= U_зиа/I_са;                                               (3)

R_и=0,2/10^-3=200 Ом.
Выбор значения резистора R_з в значительной мере может быть произвольным, при этом надо помнить, что оно определяет входное сопротивление каскада, принимаем R_з=R_вх.

Производим расчет блокировочных конденсаторов по формулам:

                                             С_вх ≥ 1/(2πf_н(R_г+R_вх));                                     (4)

                                              С_вых ≥ 1/(2πf_н(R_вых+R_н));                                 (5)

где f_н- нижний предел частотной характеристики, Гц;

       R_н- сопротивление нагрузки, Ом;

       R_вых- выходное сопротивление каскада, R_вых=1/S;

       R_вх- входное  сопротивление каскада, R_вх= R_з;

       R_г- сопротивление источника сигнала, Ом;

R_вых=1/2,5·10^-3=400 Ом;

С_вх=1/(2·3,14·95(1000+50000))=32·10^-9Ф;

С_вых=1/(2·3,14·105 (400+40))=3,4·10^-6Ф;

Принимаем стандартные большие значения: С_вх =33 нФ, С_вых=5 мФ.

Производим корректировку общего коэффициента усиления:

                                                   К_u’=К_u/К_п;                                                (6)

где К_п- коэффициент передачи входного каскада;

                                                  К_п=U_s/(U_s+1);                                            (7)

                                        U_s=(2·|U_зиа|/|U_отс|)·√I_сн/I_са;                                    (8)

U_s=(2·0,2/1,2)·√1,5/1=0,4;

К_п=0,4/(0,4+1)=0,29;

К_u’=9/0,29=31.
1.5. Расчет элементов активного фильтра

Поскольку f_в/f_н<5, то полосовой фильтр будем строить последовательного соединения двух узкополосных фильтров имеющих небольшой взаимный сдвиг частотных характеристик.

Определяем среднюю частоту настройки фильтра и относительную полосу пропускания:
                                                  f₀=(f_в+f_н)/2;                                               (9)

                                                 ΔΩ=(f_в-f_н)/f₀;                                            (10)
f₀=(105+95)/2=100 Гц;

ΔΩ=(105-95)/100=0,1;
По [2, таблица1, стр. 11] для фильтра Баттерворта 4-го порядка определяем коэффициенты аппроксимации. Для первого звена b₁=0,7654 c₁=1,0000, для второго звена b₂=1,8478 c₂=1,0000.

Для расчета коэффициента а, который находится из уравнения:

                            a²+(a·ΔΩ·b/c·(1+a²))²+1/a²-2-(ΔΩ)²/c=0;                       (11)

была использована программа, текст которой приведен в приложение 1. По результатам программы, а=0,9547.

      Вычисляем добротность фильтров, которые нужно включить последовательно:

                                                    Q=(1+a²)·c/(a·b·ΔΩ);                                       (12)

Q₁=(1+0,9547²)·1,0000/(0,9547·0,7654·0,1)=26,158;

Q₂=(1+0,9547²)·1,0000/(0,9547·1,8478·0,1)=10,835.

      Находим параметры звеньев ППФ. Частоты настроек первого и второго звеньев будут равны:

                                                            f_р1=f₀/а;                                                      (13)

                                                            f_р2=f₀·а;                                                      (14)

f_р1=100/0,9547=104,74 Гц;

f_р2=100·0,9547=95,47 Гц.

      Коэффициенты усиления каждого из звеньев фильтра будут равны:

                                             A_i=Q_i·ΔΩ·√1/c_i;                                               (15)

A₁=26,158·0,1·√1/1=2,6158;

A₂=10,835·0,1·√1/1=1,0835;


  Каждый из полосовых фильтров второго порядка может строиться по разным схемам. Для дальнейшего расчета выбираем схему фильтра со сложной отрицательной обратной связью, схема которого изображена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Схема полосового фильтра со сложной

отрицательной обратной связью.
Расчеты элементов выполняется по формулам:

                                               С1_i=C2_i=10^-5/f_pi;                                             (16)

                                               R2_i=Q_i/(π·f_pi· С1_i);                                          (17)

                                                 R1_i=R2_i/(2·A_i);                                              (18)

                                            R3_i=A_i·R1_i/(2·Q_i²+A_i);                                       (19)

C1₁=10^-5/104,74=95 нФ, C1₂=10^-5/95,47=104 нФ;

R2₁=26,158/(3,14·104,74·95·10^-9)=837,21 кОм;

R2₂=10,835/(3,14·95,47·104·10^-9)=347,54 кОм;

R1₁=837,21/(2·2,6158)=160 КОм, R1₂=347,54 /(2·1,835)=94,69 КОм;

R3₁=2,6158·160/(2·26,158²+2,6158)=305 Ом;

R3₂=1,835·94,69/(2·10,835²+1,835)=734 Ом.

К установки принимаем двухканальный операционный усилитель типа К157УД2.

Пересчитываем коэффициент усиления для усилителя мощности:

К_u’’=К_u’·A₁·A₂=31/(2,6158·1,0835)=10,9.
1.6.       
Выбор схемы и расчет усилителя мощности

Усилитель мощности будим строить с применением ОУ и мощным без трансформаторным выходным каскадом на комплиментарных составных транзисторах. Схема разрабатываемого усилителя мощности приведена на рисунке 4.


Рисунок 4 – усилитель мощности на ОУ с комплиментарным повторителем.
            Определяем с небольшим запасом мощность, которую должны обеспечить выходные транзисторы:

                                                        Р_н’=1,1·Р_н;                                                  (20)

Р_н’=1,1·0,5=0,55 Вт;

         Требуемые значения амплитуды напряжения на нагрузке, а также амплитуда коллекторного тока будут равны:

                                                       U_н=√P_н’·R_н;                                                  (21)

                                                      U_н.max=√2·U_н;                                                (22)

                                                        I_н=U_н/R_н;                                                     (23)

                                                         I_н.max=√2·I_н;                                                 (24)

U_н=√0,55·40=22 В;

U_н.max=√2·22=31,11 В;

I_н=31,11/40=0,777 А;    I_н.max=√2·I_н=1,098 А.

         Задаемся значением начального тока коллектора:

                                                   I_ко=(0,05÷0,1)I_н;                                              (25)

I_ко=0,0826·1,098=0,09 А;

         Определим величины сопротивлений резисторов R_э из такого расчета, чтобы на них падало напряжение U_э=(0,2÷0,3)В при токе I_ко:

R_э=0,3/0,09=3,33 Ом.

         Выбираем напряжение питания усилителя:

                                            U_п>U_нас+U_н.max+ R_э·I_ко;                                          (26)

U_п>1+31,11+40·0,09=35,7 В;

где U_нас- напряжение насыщения транзистора, принимаем U_нас=1 В;

Принимаем стандартное U_п=35В.

         Мощность рассеиваемая на коллекторе выходного транзистора:

                                                    Р_к.мах=0,25Р_н’;                                                 (27)

Р_к.мах=0,25·0,55=0,1375 Вт.

         Принимаем к установке по транзисторы типа КТ814А и КТ815А их технические характеристики, а также условия выбора приведены в таблице 2.
Таблица 2- Основные параметры выбранных транзисторов.

Величина	Постоянный ток колектора	Напряжение колектор-эмиттер	Рассеиваемая мощность с теплоотводом	Граничная частота передачи
Условие	Iк.max >1,3Iн.max	Uкэ>Uп/0,4	Рк.доп>Рк.мах	fгр>4fв
Значение	0,222 А	12,5 В	0,055 Вт	220 Гц
КТ814А	1,5 А	40 В	10 Вт	3 МГц
КТ815А	1,5 А	40 В	10 Вт	3 МГц

Определяем ток базы выходных транзисторов:

                                                     I_бо=I_ко/β;                                                  (28)

                                                   I_бм=I_н.max /β;                                               (29)

Где β- коэффициент передачи по току, для выбранных транзисторов β=40;

I_бо=0,09/40=2,25 мА, I_бм=1,098/40=27,45 мА.

  Исходя из тока базы выходных транзисторов и напряжения источника питания (12В), принимаем к установке ОУ типа К140УД7 с максимальным выходным током 20мА.

  Рассчитываем параметры базового делителя. Определяем ток делителя:

                                                      I_дел >3·I_б.max;                                                    (30)

I_дел > 82,35 мА;

         По [4, стр. 54] выбираем диоды смещения выходных транзисторов из условия, что допустимый прямой ток диода:

                                                      I_пр.мах >I_дел.                                                      (31)

Принимаем диод 2Д104А  с I_пр =100 мА.

         Потенциал базы выходного транзистора при отсутствии сигнала:
                                                       U_б=U_бэ0+ U_э;                                                  (32)

         где U_бэ0 – величина напряжения при I_бо =0,25 мА, U_бэ0=0,6 В;

U_б=0,6+0,25=0,85 В.

         Сопротивление делителя будет равно:
                                                  R1=(U_п-U_б)/10·I_бо;                                              (33)

R1=(35-0,85)/0,0025=13,6 КОм;

         Таким образом, обмотка I имеет 2480 витков провода ПЭВ-2 0,2, обмотка II - 660 витков провода ПЭВ-1 0,14, обмотка III – 180 витков провода ПЭВ-1 0,5, обмотка IV – 400 витков провода ПЭВ-1 0,14, обмотка V – 820 витков провода ПЭВ-1 0,14.

Трансформатор питания следует тщательно экранировать. Экран лучше изготовить из мягкой стали толщиной не менее 1 мм.  Также необходимо изолировать медным экраном  II, IV и V обмотки.

         Схема блока питания приведена на третьем листе графической части.

         В схеме используются резисторы:

         R2, R4, R6, R8, R10, R12 – подстрочные типа СПЗ-38 номинальной мощностью 0,25Вт;

         Остальные – типа МЛТ номинальной мощностью 0,25Вт;

         В схеме используются конденсаторы:

         С1-С8 – алюминиевый аксидно - электролитический типа K50-16;

         C10, C12, C14, C16, C18, C20 - алюминиевый аксидно - электролитический типа K50-6;

         Остальные – керамические типа КМ-6, с группой ТКЕ Н90.




Библиографический список:
1.   Лурье М. С. «Промышленная электроника» - Красноярск: КГТА, 1995.- 48с.

2.   Лурье М. С. «Промышленная электроника» - Красноярск: КГТА, 1996.- 180с.

3.   Батушев В.А. «Микросхемы и их применение» - М.: РАДИО и СВЯЗЬ, 1983.-

4.   Терещук Р. М. «Полупроводниковые приемно-усилительные устройства» – Киев: Наукова думка, 1981.-671с., с ил.

5.   Гришина Л. М.«Полевые транзисторы»–М.: РАДИО и СВЯЗЬ, 1982. –72с.

6.   Чернышев А.А.«Диоды и тиристоры» - М.:Энергия, 1976.– 200с., с ил.272с.

7.    «АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ», А.Л. Булычев, В.И. Галкин, В. А. Прохоренко, «Беларусь» 1985.

8.   «Радиотехника», И.П. Жеребцов, «Связь» 1965.

9.   «Справочник Радиолюбителя», М. Р. Терещук, Р. М. Домбругов, Н. Д. Босый, издательство академии наук УССР, Киев 1962.

10.            «Транзисторы и полупроводниковые диоды», справочник, «Связьиздат», 1963.

11.            «Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы», справочник, «Энергоатомиздат», 1982.

12.            «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы», справочник, «Радио и Связь», 1990.

 


Приложение 1

Текст программы для расчета коэффициента а, при проектирование полосового фильтра.
Program filtr;

uses

CRT;

Var

f1,f2,f0,a,b,c,W,p:real;

i:integer;

Begin

 ClrScr;

 Write ('Введите коэффициент b= ');

 readln (b);

 Write (''Введите коэффициент c= ');

 readln (c);

  Write ('Введите нижнюю частоту пропускания f1= ');

 readln (f1);

  Write (''Введите верхнюю частоту пропускания f2= ');

 readln (f2);

   Writeln;

 f0:=(f1+f2)/2;

 W:=(f2-f1)/f0;

 For i:=1 to 20000 do begin

 a:=i/10000;

 p:=(a*a)+(sqr((a*W*b)/(c*(1+a*a))))+(1/(a*a))-2-((W*W)/c);

 if p<0.0001 then break;

 end;

 Writeln ('Средняя частота диапазона',f0:3:2);

 Writeln;

 Writeln ('Относительная полоса пропускания',W:3:2);

 Writeln;

 Writeln ('Коэффициент a',a:2:5);

 ReadKey;

end.