Усилитель постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Автоматика и телемеханика»

Курсовой проект

по дисциплине “Электротехникаи электроника”

на тему “Усилитель постоянного тока”

Саидов П.С.

2018



Реферат

Пояснительная записка содержит 39 листов формата А4, 19 рисунков, 13 таблиц,1 лист формата А3, 2 приложения.

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, ВЫПРЯМИТЕЛЬ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ, УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, ТЕМПЕРАТУРНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ, ПОГРЕШНОСТЬ ОТ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ.

Цель исследования - расчет усилителя постоянного тока.

В процессе работы производился расчёт блока питания, трёх каскадов усиления (предварительный усилитель, фильтр нижних частот и усилитель мощности) и погрешности (температурной погрешности и погрешности от нестабильности питающего напряжения).

Одним из методов исследования, использованных в курсовом проекте, является компьютерное моделирование.



Введение

Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. Отличительной особенностью УПТ является отсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительных каскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянному току. стабилизатор напряжение выпрямитель транзистор

При разработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.

Усилитель постоянного тока широко применяются в автоматике. Они способны в десятки и сотни раз увеличивать мощность сигнала, поступающего с выхода датчика. Необходимость применения усилителя объясняется тем, что выходной сигнал датчика обычно очень слаб и недостаточен для получения нормирующего сигнала, подающегося на АЦП.



1. Разработка структурной схемы источника питания

Структурная схема источника питания представлена на рисунке 1.

Т - трансформатор

В - выпрямитель

СФ - сглаживающий фильтр

СН - стабилизатор напряжения

Рисунок 1 - Структурная схема источника питания

Трансформатор предназначен для понижения напряжение сети переменного тока.Выпрямитель служит для преобразования входного переменного тока в постоянный выходной. Полученный сигнал является пульсирующим, для его сглаживания применяются сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр- устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока. Стабилизатор - устройство, предназначенное для поддержания в заданных пределах выходного напряжения или тока при изменении входного напряжения, тока нагрузки.



2. Разработка структурной схемы усилительного каскада

Усилительный каскад имеет структуру, изображенную на рисунке 2.

ПУ - предварительный усилитель

ФНЧ - фильтр низких частот

УМ - усилитель мощности

Рисунок 2 - структурная схема усилительного каскада

Предварительный усилитель -электронный усилитель, преобразовывающий слабыйэлектрический сигнал в более сильный.Фильтр нижних частот(ФНЧ)-фильтр, пропускающий частотный спектр сигнала ниже определенной частоты и подавляющийвыше этой частоты. Усилитель мощности -устройство, предназначенное для преобразования небольшого по мощности электрического сигнала, который поступает от источника, в более мощный выходной.



3. Расчёт источника питания

Источник питания обеспечивает напряжение 15В, на котором работают микросхемы. В схеме источника питания выделяют следующие основные части: трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизатор напряжения.

3.1 Расчёт параметрического стабилизатора напряжения

Основными параметрами стабилизаторов являются: коэффициент стабилизации, нестабильность выходного напряжения, внутреннее сопротивление стабилизатора, температурная нестабильность, коэффициент сглаживания пульсаций, коэффициент полезного действия. Схема параметрического стабилизатора представлена на рисунке 3.

Рисунок 3-Схема параметрического стабилизатора напряжения

По напряжению на нагрузке (Uн =Uст= 15В) выбираем стабилитрон КС515А. Параметры стабилитрона приведены в таблице 1.

Таблица 1- Параметры стабилитрона КС515А

Тип
КС515А	13,5..16,5	1	53	5	25

Находим ток нагрузки стабилизатора:

Iп- ток потребления одной микросхемы;

Выбираем ток рабочей точки стабилитрона внутри рабочей области:

Согласно расчётам, рабочая точка не входит в допустимые пределы. Для стабилизации используем микросхему К142ЕН6А. Основные параметры микросхемы представлены в таблице 2.

Таблица 2- Параметры микросхемы К142ЕН6А

Тип	Uвых, В	Uвхmax,B	Uпд,B	Iптр, мА	Кстмс,%/В	TKUст, %/К
К142ЕН6А		40	2,2		0,002	0,02

Схема включения изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема включения стабилизатора

Назначение выводов: 4 -- выход (--); 6 -- вход (--); 8 -- общий; 11 -- коррекция (+); 13 -- выход (+), 15 -- вход(+); 17 -- коррекция (--).

Выбираем входное напряжение внутри рабочей области:

Тогда изменение напряжения на входе найдем по формуле (5):

Делаем проверку с учетом нестабильности:

Входное напряжение выбрано верно.

Определяем коэффициент стабилизации при использовании микросхемы:

Коэффициент стабилизацииудовлетворяет условию: . Конденсаторы С₁ и С₂ выбрали типа К10-17-2Б H90: 1,0 мкФ x25B.



3.2 Расчет выпрямителя

В проекте используетсядвухполупериодный выпрямитель, построенный на диодном мосте, схема которого представлена на рисунке 5. Основнымипараметрами выпрямителя являются характеристики выпрямительных диодов, используемых в мосте.

Рисунок 5-Схемадвухполупериодного выпрямителя

Определяем сопротивление нагрузки:

Выбираем диоды по току, который они должны обеспечить, и по обратному напряжению, таким образом, чтобы и . По данным условиям был выбран диод КД103А ,параметры которого приведены в таблице 3.

Таблица 3- Параметры диода КД103А

Тип	Uоб, В
КД103А		0,1

Выбираем полярный конденсатор для сглаживающего фильтра. Выбор конденсатора производим по емкости и рабочему напряжению :

В соответствии с расчётами выбираем конденсатор К50-35 , параметры которого представлены в таблице 4.



Таблица 4- Параметры конденсатора К50-35

Тип	Uc , В
К50-35		47

Рассчитываем коэффициент трансформации понижающего трансформатора:

Моделирование выпрямителя показало, что для получения входного напряжения стабилизатора в 25В, необходимо подать напряжение величиной 24,8В. Моделирование выпрямителя приведено в приложении Б.



4. Расчёт усилителя постоянного тока

Выходное напряжение по ТЗ:

Тогда общий коэффициент усиления находим по формуле:

4.1 Расчёт усилителя мощности

Схема усилителя мощности представлена на рисунке 6.

Рисунок 6-Схема усилителя мощности

Коэффициент передачи усилителя мощности рассчитывается по следующей формуле:

В соответствие с коэффициентом передачи выбираются сопротивления R₂ и R₁ с допустимым отклонением 10%:

R₂ = 30 кОм,

R₁ =3 кОм.

Определяем мощность для всей схемы по формуле:

Используем усилитель мощности класса B. Выбираем комплементарную пару транзисторов (n-p-n,p-n-p) при условии, что и . Выбранные транзисторы приведены в таблице 5.

Таблица 5 -Комплементарная пара транзисторов для УМ

Название	Тип	Ik.max,мА	Uкэ.доп, В	Uкбо. max , B	Pk.max, мВт
КД315Д	n-p-n	100	40	50	150	20-90
КД361Д	p-n-p	100	40	50	150	20-90

Ряд сопротивлений, подобранных для усилителя мощности, отображен в таблице 6.

Таблица 6 - Параметры резисторов для УМ

Обозначение	Тип	Сопротивление,кОм	Отклонение, %	Мощность, Вт
R1	С2-23	3	5	0,125
R2	С2-23	30	5	0,125
R3	С2-23	0,39	5	0,125

4.2 Расчёт ФНЧ

Выбираем ФНЧ Баттерворда второго порядка, реализующий неинвертирующий (положительный) коэффициент усиления. На рисунке 8 представлена схема выбранного фильтра нижних частот.

Рисунок 8- Схема ФНЧ

Выбираем ёмкость :

с =1000Гц - частота среза, выбирается по ТЗ.

= 0,01 мкФ.

Задаём коэффициенты для ФНЧ 2-го порядка:

=1,4142,

=1,0000.

Задаем коэффициент усиления ФНЧ:

A = = 2

где теоретический коэффициент усиления ФНЧ;

Kфнч - выбранный ранее коэффициент усиления фильтра.

Рассчитываем емкость :

Находим сопротивление резистора :

Находим сопротивление резистора :

Рассчитываем сопротивление резистора :

Находим сопротивление резистора :

По расчётным данным выбираем конденсаторы и резисторы для ФНЧ.

В таблице 9 представлены характеристики выбранных конденсаторов.

Таблица 9- Параметры конденсаторов для ФНЧ

Обозначение	Типы	Емкость, мкФ	Отклонение, %	Напряжение, В
	К10-9	0,015	10	25
	К10-9	0,010	10	25

Основные параметры резисторов для ФНЧ приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Параметры резисторов для ФНЧ

Обозначение	Тип	Сопротивление, кОм	Отклонение, %	Мощность, Вт
	С2-23	20	5	0,125
	С2-23	9,1	5	0,125
	С2-23	56	5	0,125
	С2-23	56	5	0,125

Для фильтра нижних частот выбираем микросхему К140УД6, параметры которой представлены в таблице 11.

Таблица 11-Основные характеристики микросхемы

Тип	Ку	Uпит, В	Iпит, мА	Uвых, В	ТКесм, мкВ/град
К140УД6	50000	(5-20)	3	12	20

4.3 Расчёт предварительного усилителя

Предварительный усилитель необходим для усиления сигнала до некоторого значения, который потом передаётся на фильтр нижних частот.Выбираем каскад инвертирующего усилителя с выбранным коэффициентом усиления Kпу= 25. Схема предварительного усилителя приведена на рисунке 9.

Рисунок 9- Схема предварительного усилителя

Переменный резистор обеспечивает регулировку чувствительности. Определяем значения сопротивлений резисторов :

Характеристики резисторов для ПУ представлены в таблице 12.

Таблица 12 - Основные параметры резисторов для ПУ

Обозначение	Тип	Номинальное сопротивление, кОм	Отклонение, %	Мощность, Вт
	С2-23	10		0,125
	С2-23	240		0,125
	СП5-16ВВ	39		0,125

В качестве микросхемыпредварительного усилителя выбираем микросхему К140УД17, которая имеет малый температурный коэффициент, что обеспечивает малую погрешность напряжения смещения. Параметры микросхемы приведены в таблице 13.

Таблица 13- Основные характеристики микросхемы К140УД17

Тип	Ку, тыс	Uпит, В	Iпит, мА	Uвых, В	ТКесм, мкВ/град
К140УД17	150	3-18	5	12	1,3

Схема включения микросхемы К140УД17 приведена на рисунке 10.

Рисунок 10- Схема включения микросхемы К140УД17



5. Расчёт погрешностей

Расчет погрешностей выполняется для того чтобы оценить правильности выбора схемы преобразователя и его корректировки, если это необходимо.

5.1 Расчёт температурной погрешности

В общем случае изменение напряжения смещения на входе ОУ будет определяться:

Так как в качестве микросхемы ПУ была использована микросхема К140УД17 с TKe_см = 1,3 мкВ/град, то

Рассчитаем погрешность, находящуюся в следующей зависимости от изменения напряжения питания:

где K_п - коэффициент влияния нестабильности источника питания. Данный коэффициент определяется отношением изменения напряжения смещения к вызывающему его изменению одного из напряжений питания. Обычно Kп=20..200 мкВ/В.

Изменение питающего напряжения:

С учетом этого погрешность от изменения питания:

По результатам моделирования изменение выходного напряжения:

Определим аддитивную температурную погрешность по модели Б9:

Из проделанных вычислений видно, что рассчитанная температурная погрешность меньше заданной, следовательно, микросхема усилителя выбрана верно.

5.2 Расчёт погрешности от нестабильности питающего напряжения

Фактором, вызывающим погрешность в работе стабилизатора, является нестабильность напряжения питания, которая задана в ТЗ.

Подставляя полученное значение в формулу (35), найдем изменение напряжения на выходе стабилизатора:

Таким образом, находим изменение напряжения смещения из формулы (34):

Находим погрешность по формуле (33):

Погрешность от нестабильности питающего напряжения не превышает погрешности от нестабильности выходного сигнала усилителя.



6. Описание схемы электрической принципиальной

Схема электрическая принципиальная выполнена на листе формата А3 и представлена в приложении А.

Блок питания состоит из двух выпрямителей, построенных на диодных мостах, формирующих положительное и отрицательное напряжение, которое подаётся на стабилизатор напряжения.

Блок питания собран из элементов: VD1 - VD8, DA4, C3 -C6 и обеспечивает напряжение ±15 В для питания элементов усилителя.

Усилительный каскад состоит из трёх частей:

Первая часть представляет собой предварительный усилитель, собранный из элементов: DA1,R1 - R4. Выбор данной схемы включения объясняется тем, что неинвертирующий усилитель обладает низким входным сопротивлением. Резистор R4 предназначен для стабильной работы ОУ.

Второй каскад является фильтром нижним частот и собран на элементах: DA2,R5 - R8,C1,C2. ФНЧ выделяет рабочую полосу частот усилителя.

Третий каскад представляет собой усилитель мощности,собранный на микросхеме DA3, резисторах R9, R10 и комплементарной паре транзисторов VT1 и VT2. Усилитель мощности предназначен для усиления мощности выходного сигнала ФНЧ.



Заключение

В данной курсовой работе был разработан усилитель постоянного тока на микросхеме К140УД17.

В ФНЧ был использован фильтр Баттерворта второго порядка, характеристика которого является наиболее приемлемой.

Для подтверждения правильности выбора элементной базы усилителя была подсчитана температурная погрешность и погрешность от нестабильности напряжения питания:

- температурная погрешность ;

- погрешность от нестабильности напряжения питания .

Соблюдая все необходимые условия, получили достаточно качественный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий всем поставленным условиям.



Список использованных источников

1. Пащенко В.В. Усилитель постоянного тока. Измерительный преобразователь: Методические указания к курсовой работе по курсу «Электроника»/ Пащенко В.В., Арбузов В.П., Мишина М.А. - Пенза Изд. ПГУ, 2006г .

2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Гутников В.С..-Л. Энергоатомиздат. Ленингр. Отделение ,1988г.

3. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник/ Под ред. Рысева Ю.Н. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

4. http://mirznanii.com/a/209105/usiliteli-postoyannogo-toka(Дата обращения :12.10.2017 г.)

5. http://www.trzrus.ru/rec/recany.htm?6../res.htm(Дата обращения :24.10.2017 г.)

6. https://refdb.ru/look/2495984-p2.html(Дата обращения :10.11.2017 г.)

7. http://chiplist.ru/resistors/SP5-16V/(Дата обращения :10.11.2017 г.)



Приложение А

Усилитель постоянного тока

Схема электрическая принципиальна

Обозначение	Наименование	Кол.-во	Примечание
	Конденсаторы
С1,С2	К10-9-0,010мкФ	2
С3,С4	К50-35-15мкФ x 25В	2
C5,C6	К10-17-2Б H90 - 1 мкФ x 25Вx 20B	2
	Микросхемы
DA1	К140УД17	1
DA2,DA3	К140УД6	2
DA4	К140ЕН6	1
	Резисторы
R1	C2-23-10кОм	1
R2	С2-23-240кОм	1
R3	СП5-16ВБ-40кОм	1
R4	СП5-16ВА -100кОм	1
R5	С2-23-20кОм	1
R6	C2-23-91кОм	1
R7,R8	С2-23-56кОм	2
R9	С2-23-3кОм	2
R10	С2-23-30кОм	2
R11	С2-23-390Ом	1
	Диоды
VD1…VD8	КД106А	8
	Транзисторы
VT1	КД315Д	1
VT2	КД361Д	1



Приложение Б

Усилитель постоянного тока

Моделирование усилителя постоянного тока

1 Моделирование источника тока

Рисунок Б1 - Схема источника питания

Рисунок Б2 - Осциллограмма источника питания

Для получения напряжения на выходе выпрямителя, равному 25 В, необходимо подать напряжение величиной 24,8 В.

2 Моделированиеусилительногокаскада

Рисунок Б3 - Схема усилителя

При подаче на вход напряжения ПУ усиливает входной сигнал в 25 раз, как показано на рисунке Б4:

Рисунок Б4 - Осциллограмма предварительного усилителя

Коэффициент усиления ФНЧ равен 2.

Рисунок Б5 - Осциллограмма фильтра нижних частот

При моделировании были получены основные характеристики фильтра нижних частот- АЧХ и ФЧХ, представленные на рисункахБ6 и Б7 соответственно. Можно сказать, что ФНЧ смоделирован верно , так как частотный диапазонсоответствует частотному диапазону, заданному в техническом задании, а именно от 0 до 1000 Гц.

Рисунок Б6 - АЧХ фильтра нижних частот

Рисунок Б7 - ФЧХ фильтра нижних частот

В процессе моделирования УПТ на выходе полученонапряжение6В- эта величина соотвествует выходному напряжению, заданному по ТЗ.Это говорит о том,что усилитель смоделирован правильно и все элементы рассчитаны и подобраны верно. УПТ не вошел в насыщение. Результаты можно увидеть на рисунках Б3 и Б8.

Рисунок Б8 - Осциллограмма УПТ



8. Моделирование температурной погрешности

Рисунок Б9 - Моделирование температурной погрешности

Размещено на Allbest.ru

...