Разработка электронного полупроводникового усилителя для систем автоматического регулирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Курсовая работа

Разработка электронного полупроводникового усилителя для систем автоматического регулирования

Содержание

Введение

I. Расчет выходного каскада усиления

II. Расчет схемы стабилизации каскада

III. Расчет электрических параметров выходного трансформатора

IV. Выбор теплоотводящего радиатора

V. Конструктивный расчет выходного трансформатора

VI. Расчет фильтра нижних частот

выходной каскад частота трансформатор усилитель

Введение

Курсовая работа заключается в разработке электронного полупроводникового усилителя для систем автоматического регулирования. В следящих системах усилители применяются для усиления сигнала рассогласования. На вход усилителя подается переменное напряжение низкой величины с постоянной несущей частотой.

К выходу усилителей следящих систем подключают обмотки индукционных двигателей, магнитных и электромагнитных преобразователей, электромагнитных исполнительных механизмов. При этом не требуется точного воспроизведения в нагрузке формы кривой усиливаемого сигнала; вполне достаточно выделить в нагрузке первую гармонику входного сигнала либо его среднее выпрямленное значение.

Таким образом, проектируемый усилитель представляет собой усилитель мощности низкой частоты.

Блок - схема усилителя.

I. Расчет выходного каскада усиления

В усилителях мощностью до 10 Вт рекомендуется использовать более простой вариант каскада в виде однотактного усилителя, работающего в режиме класса А.

Данные для расчета:

P_н. = 8 Вт;

R_н. = 40 Ом;

F₀ = 80 Гц;

R_вх 20000 Ом;

К_Р 40000;

Схема рассчитываемого каскада усиления.

Выходной каскад рассчитывается по заданной мощности P_н и сопротивлению нагрузки. Считается, что нагрузка имеет активный характер. Расчет каскада включает в себя: выбор принципиальной схемы и режима работы, выбор транзистора, расчет входной и выходной цепи каскада, расчет электрических и конструктивных параметров трансформатора.

Находим мощность, которая должна быть отдаваема транзистором:

где Рн - заданная мощность в нагрузке, а з_трн - КПД выходного трансформатора. Значение з_трн принимаем равным 0,8

1. Определяем мощность рассеяния на коллекторе транзистора.

2. Выбираем тип транзистора из условия что , где

Pк.доп - допустимая мощность рассеяния на коллекторе транзистора при определенных условиях охлаждения.

Выбираем транзистор КТ903Б (транзистор меза-планарный n-p-n).

Параметры транзистора:

Начальный ток коллектора Ік0 = 10 мА.

Статический коэффициент усиления тока базы равен 40 - 180.

Напряжение коллектор эмиттер в режиме насыщения равно 2,5 В.

Ток коллектора Ік = 3 А.

Напряжение колектор - эмиттер Uк.доп. = 60 В.

Рассеиваемая мощность коллектора 30 Вт.

3. Выбираем напряжение питания

Принимаем напряжение питания Ек = 30 В.

4. Задаемся падениями напряжения на эмиттерном сопротивлении

Urэ. = 0,1, Ек = 3 В, и на сопротивлении первичной обмотки трансформатора Uтр. = 0,1, Ек = 3 В.

5. Находим напряжение на коллекторе в точке покоя:

Uк.р = Ек - Urэ - Uтр = 24 В.

6. Определяем коллекторный ток покоя:

7. Находим приведенное сопротивление нагрузки в цепи коллектора:

8. Определяем коэффициент трансформации выходного трансформатора:

9. Вычерчиваем выходную и входную характеристики выбранного транзистора.



10. На входных характеристиках строим линию нагрузки по переменному току. Для этого наносим рабочую точку М с координатами Uк.р = 24 В и

Ік.р = 0,92 А. На горизонтальной оси находим точку соответствующую напряжению Uк.р + Ік.р·r_н.к = 50,49 В. Через точки А и М проводим линию нагрузки.

На выходных характеристиках определяем, что точка А соответствует

Іб = 10мА, точка М - Іб = 22мА, точка Б - Іб = 30мА.

11. Переносим точки Аґ, Мґ, Бґ на входную характеристику транзистора и по положению этих точек находим:

Uбэ max = 0.99 В

Uбэ min = 0.83 В

Іб max = 30 мА

Іб min = 10 мА

12. Определяем амплитудные значения тока и напряжения на входе каскада.

Находим входное сопротивление каскада:

13. Находим необходимую входную мощность:

Pвх = 0,5Uвх.m · Івх.m = 0,5 · 0,08 · 10·10^-3 = 0,0004 Вт

14. Вычисляем коэффициент усиления каскада по мощности:

II. Расчет схемы стабилизации

15. Рассчитываем значение сопротивления R7:

16.

Выбираем R7 = 3,3 Ом.

17. Рассчитываем величину резисторов смещения:

Задаемся коэффициентом нестабильности S = 3.5.

Принимаем R5 = 91 Ом.

Принимаем R6 = 10 Ом.

18. Рассчитываем величину конденсатора С5 эмитерной стабилизации. . Ёмкость конденсатора С5 цепи эмитерной стабилизации каскада выбираем из условия, чтобы емкостное сопротивление конденсатора на самой низкой частоте сигнала было значительно меньше величины сопротивления r_э.

Принимаем С5 = 62 мкФ.

Выбираем типы резисторов:

Определяем мощность резисторов.

P_R5 = = (22·10^-3)² · 91 = 0,044 Вт.

P_R6 ==(22·10^-3)²·10 = 0,00484 Вт.

Pr_э = = (0,92)²·3,3 = 2,64

Резистор R5:

МЛТ - 0,125 - 91Ом.

Резистор R6:

МЛТ - 0,125 - 10Ом .

Резистор R7:

МЛТ - 3 - 3,3Ом .

Выбираем тип конденсатора С5:

К53 - 1 - 30В - 62мкФ.

19. Рассчитываем величину входной ёмкости.

Выбираем тип конденсатора С4:

К53 - 1 - 30В - 51мкФ.

III. Расчет электрических параметров выходного трансформатора

1. Вычисляем величину активного сопротивления обмоток r1и r2:

2. Рассчитываем индуктивность первичной обмотки трансформатора:

М = 1,2

3. Рассчитываем величину индуктивности рассеяния:

IV. Выбор теплоотводящего радиатора

S = 8 · Pк.макс. = 8 · 22 = 176 см².

V. Конструктивный расчет выходного трансформатора

Выходной трансформатор усилителя мощности используется для согласования сопротивлений. Конструктивный расчет производится на основании параметров полученных из электрического расчета каскада усиления индуктивности L1 и Ls сопротивления обмоток r1и r2, коэффициента трансформации n, тока постоянного подмагничивания, амплитуды напряжения на первичной обмотке и низшей рабочей частоты Fн.

1. Выбираем магнитный материал для магнитопровода. Из соображений минимальной стоимости выбираем железо - никелевый сплав

марки 45Н. Толщину листов выбираем по частоте несущего сигнала. Принимаем толщину листов равную 0,4 мм.

2. Выбираем тип магнитопровода. Размеры выбираем так, чтобы в нем могли разместиться обмотки, и чтобы амплитуда машинной индукции не превышала допустимой. Для этого сначала определяем постоянную времени трансформатора.

Подбираем магнитопровод для которого выполняется условие:

S_м - площадь сечения магнитопровода см².

S_ок - площадь сечения окна магнитопровода см².

К_м и К_ок - коэффициенты заполнения стержня и окна.

l_м и l_в - средняя длина магнитной линии и витка обмотки см.

µ - магнитная проницаемость магнитопровода.

Выбираем магнитопровод ШП с такими размерами:

У = 25 мм, У1 = 25 мм, В = 25 мм, h = 62,5 мм, l_м = 21,3 см, L = 100 мм,

Н =87,5мм.

S_м = У · У1 = 25 · 25 = 625 мм².

S_ок = В · h = 25 · 62,5 = 1562,5 мм².

К_м = 0,93 мм, К_ок = 0,215 мм.

l_в = 2·(У + У1) + р · В = 2·(25 + 25) + 3,14·25 = 178,5 мм.

Проверяем выполнение условия:

=

=

Условие выполняется.

3. Определяем число витков первичной обмотки.

Вычисляем напряженность подмагничивающего поля:

4. Определяем толщину немагнитного зазора. Из графика определяем относительную толщину зазора д_отн .

5. Вычисляем количество витков вторичной обмотки.

w2 = w1 · n = 266 · 1.317 = 350

6. Исходя из допустимой плотности тока определяем, диаметры проводов и обмоток.

мм.

Определяем диаметр провода исходя из требуемого сопротивления обмотки r1.

мм.

Из двух значений выбираем большее и округляем до ближайшего стандартного. d1 = 0.8 мм

Диаметр провода вторичной обмотки.

мм

Полученное значение округляем до ближайшего стандартного. d2 = 0,71 мм.

7. Проверяем условие размещения обмоток на выбранном магнитопроводе.

Число витков в слое цилиндрической обмотки.

dиз = 1,1 · d1 = 0,88 мм

dиз2 = 1,1 · d2 = 0,781 мм

дк - толщина материала каркаса обмотка. Принимаем равную 1 мм.

 Принимаем 51 виток.

Принимаем 58 витков.

Число слоев обмотки.

Принимаем 6 слоёв.

Принимаем 6 слоёв.

Толщина обмотки.

диз - толщина изоляционной прокладки между слоями. В качестве прокладки берется 2 слоя трансформаторной бумаги толщиной 0,1 мм.

мм

мм

Должно выполняться условие:

мм

Условие выполняется так как д > .

8. Определяем реальную индуктивность рассеяния трансформатора.



Полученное значение меньше значения вычисленного при расчете электрических параметров, значит условие выполняется.

VI. Расчет фильтра нижних частот

Фильтр нижних частот используется для того, чтобы подавить высокочастотные помехи. Основой фильтра является неинвертирующий усилитель, обладающий большим входным и малым выходным сопротивлениями.

Выбираем значения резисторов:

Схема фильтра нижних частот.

R1 = R2 = 20000 Ом.

R3 = 5000 Ом, R4 = 5000 Ом.

Откуда коэффициент усиления будет равен:

 = 2

Выбираем конденсатор С1.

С1 = 10 мкФ.

откуда найдем емкость С2:

.

Частотная характеристика фильтра.

Тип конденсаторов:

С1: К71 - 3 - 160В - 10 мкФ

С2: К73 - 9 - 30В - 1нФ.

С3: К73 - 9 - 30В - 50пФ.

C3 - ёмкость коррекции.

Тип резисторов:

R1, R2: МЛТ - 0,5 - 20кОм

R3: МЛТ - 0,5 - 5кОм

R4: МЛТ - 0,5 - 5кОм

Выбираем микросхему для фильтра:

Микросхема КP1040УД2.

Параметры:

Rн = 8 Ом.

Uпит = ± 15 В.

Размещено на Allbest.ru

...