Проектирование усилительного устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Целью данной курсовой работы является проектирование усилительного устройства с целью закрепить и расширить знания, полученные на занятиях по дисциплине «Промышленная электроника».

При выполнении данной курсовой работы студент на собственном опыте знакомится с особенностями проектирования электронного устройства, изучает такие ее составляющие как усилитель напряжения, усилитель мощности, активный фильтр, входной каскад и др.

Итогом выполнения курсовой работы является пояснительная записка, в которой структурировано и упорядоченно представляются наработки студента в области проектирования.

1. Проектирование усилительного устройства

1.1 Структурная схема усилителя

Рисунок 1. Структурная схема усилителя

1.2 Определение основных параметров усилителя

Входное сопротивление усилителя выбираем так, чтобы Rвх >> Rг. Практически -

Rвх=(10 - 100)* Rг,

возьмем Rвх в 10 раз больше Rг.

Rвх = 10*500=5 мОм.

Действующее напряжение на нагрузке находим по формуле:

, .

Uн=18,17 В,

Действующее значение тока нагрузки находим так:

. Iн=0,36 А

Коэффициент усиления по напряжению рассчитываем:

. Ки=36,34.

,

где - коэффициент усиления по напряжению входного каскада;

- коэффициент усиления по напряжению активного фильтра;

- коэффициент усиления по напряжению усилителя мощности.

Распределяем этот коэффициент таким образом: Квк=6,03; Каф=1; Кум=6,03.

1.3 Выбор схемы входного каскада

[кОм].

Rвх_ИНВ =165,84кОм, Если, Rвх_ИНВ < Rвх => выбираем схему неинвертирующего усилителя.

Рисунок 2. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ

Расчет неинвертирующего усилителя

Задаем сопротивление = 17 кОм, при этом соблюдаем условие . Сопротивление определяем по выражению

. =3,37 кОм.

. R3=5 МОм.

Все рассчитанные величины резисторов в схемах усилителей округлили до ближайших номинальных значений в соответствии с таблицей Рядов номинальных сопротивлений и емкостей.

R1=18 кОм.

R2=3,3 кОм.

R3=5,1 МОм.

1.4 Выбор схемы и расчёт параметров активного фильтра

Фильтр - это электрические устройства, предназначенные для передачи сигналов в определенной области частот.

В данной курсовой работе применяется - фильтры нижних частот (ФНЧ). Это фильтры, пропускающие частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты, которая называется частотой среза , и уменьшающие (подавляющие) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.

Фильтры нижних частот

Схему на рисунке 5 называют фильтром со сложной отрицательной обратной связью или схемой Рауха.

Рисунок 3. Схемы ФНЧ 2-го порядка Рауха

Бесселя	B C	5,7924 9,1401	4,2076 11,488

Расчет схемы Рауха

1. Находим величину конденсатора С1. Для этого используем формулу

[мкФ],

где в [Гц].

С1=0,025 мкФ=0,025*10^-6 Ф.

2. Определяем величину емкости конденсатора С2.

=2,5

С2?0,26*10^-6 Ф ~ 0,001*10^-6

3. Находим сопротивление .

.

R2=0,1*10⁶ Ом.

4. Определяем по выражению

. R1=0,04*10⁶ Ом.

усилитель мощность трансформатор каскад

5. Рассчитываем сопротивление .

. R3=0,0007*10⁶ Ом.

Все полученные величины округляем до номинальных значений:

Расчёт второго звена:

1. Находим величину конденсатора С1. Для этого используем формулу

[мкФ],

где в [Гц].

С1=0,025 мкФ=0,025*10^-6 Ф.

2. Определяем величину емкости конденсатора С2.

. =2,5

С2?0,26*10^-6 Ф ~ 0,001*10^-6

3. Находим сопротивление .

.

R2=1,43*10⁶ Ом.

4. Определяем по выражению

.

R1=0,57*10⁶ Ом.

5. Рассчитываем сопротивление .

.

R3=0,0007*10⁶ Ом.

1.5 Выбор схемы и расчёт параметров усилителя мощности

Расчет УМ на мощном ОУ

Напряжение питания усилителя определяем по формуле

.

Un=30,7 В.

Максимальный ток нагрузки:

.

Im=0,51 А.

Выбор марки ОУ производится по току и напряжению нагрузки.

Необходимо, чтобы соблюдались соотношения

,

где - допустимое напряжение питания ОУ.

,

где - допустимый выходной ток мощного ОУ.

Согласно всех критериев был выбран PA01.

Рисунок 4. Схема мощного усилителя на ОУ типа PA01

RCL=(0,65/ILIMIT)-0,01 [ом]

+RCL=0,12;

-RCL=0,9

1.6 Расчет теплового режима выходного каскада УМ

В процессе работы УМ его выходные транзисторы нагреваются вследствие потерь мощности от тока нагрузки.

Если УМ создан на базе мощного ОУ, то нагревается корпус ОУ. При нагреве кристалла транзистора или ОУ сверх допустимой температуры он выйдет из строя. Поэтому необходимо обеспечить в процессе работы УМ нормальный тепловой режим транзисторам его выходного каскада или самому ОУ.

Определение тепловой мощности, выделяемой на одном транзисторе выходного каскада или в мощном ОУ

Максимальная тепловая мощность, в данном случае, рассеиваемая на одном транзисторе в схеме комплементарного повторителя, будет равна

. Рт= 0,6 Вт.

Если УМ построен на мощном ОУ, выходные транзисторы которого находятся на одном кристалле внутри одного корпуса, то максимальная тепловая мощность, выделяемая внутри корпуса ОУ, будет такова

, P_OУ=14,28 Вт.

где , - напряжение питания и ток, потребляемый самим ОУ.

Оценка необходимости применения радиатора (теплоотвода) для охлаждения силового элемента УМ

Радиатор можно не применять в том случае, если соблюдаются условия

или ,

где - допустимая рассеиваемая тепловая мощность без радиатора, Вт.

0,05?1ч3

0,756?1ч3

Условия выполняются можно сделать вывод о том, что разработанный УМ не нуждается в специальных мерах по охлаждению выходных транзисторов или корпуса ОУ.

2. Расчет маломощных выпрямителей

2.1 Проектирование выпрямительной схемы

В схемах питания электронной аппаратуры в основном применяются схемы выпрямителей, показанные на рисунке 5.

Рисунок 5. Мостовой выпрямитель со средней точкой

Формулы для расчета выпрямителей с емкостным фильтром приведены в таблице 1.

Таблица 1. Формулы для расчета схем выпрямителей

№ схемы	m	IВ, А	UОБР, В	IМАХ А	RВ, Ом	U2, В	I2, А	IВД, А	PГАБ, ВА
4.5	2		2,82Ч·ВЧU0		2ЧRi+Rт				1,5PО

1 Определяем внутреннее сопротивление вентиля

,

где, U_П - прямое падение напряжения на диоде -1,0 - 1,1 В для кремниевых диодов.

I_B=I₀/2, I₀=I_max+ I_noy*N, I_noy=27*10^-3 A

I_В=0,29 A. I₀=0,58 A. R_i=1,15 Ом.

2 Определяем внутреннее сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке

,

где j - плотность тока в обмотках трансформатора (3 ё 5) А/мм²;

B - индукция магнитного поля в сердечнике. Она равна В = (1,1 ё 1,3)Т для пластинчатых сердечников;

K - расчетный коэффициент. К = 2,0 ё 2,3.

U₀=30,7=U_n, fc=50 Гц, Rm=0,75 Ом

3 Определяем основной расчетный коэффициент А.

.

R_В= 2R_i +R_т,

R_В=1,91

m=2.

A=0,03.

4 Определяем вспомогательные коэффициенты В, F, D.

Вспомогательные коэффициенты В, F, D, определяются по графикам, приведенным на рисунке 4.6.

B=1,1.

F=5,8.

D=2,1.

5 С помощью коэффициентов В, F, D, по формулам проводим расчет всех параметров выпрямителя из таблицы 1.

U_ОБР=2,82·ВЧU_0, U_ОБР=23,5 B

I_ВД =, I_ВД=0,5 А

По значениям U_ОБР, I_ВД находим тип выпрямительных диодов. Выбранные из справочника диоды должны по своим параметрам превосходить расчетные значения.

Выбрали КД 212 А.

6 Определяем емкость конденсатора фильтра.

Емкость конденсатора фильтра находим по эмпирической формуле:

.

С₀=0,025*10⁶ мкФ

2.2 Проектирование маломощного трансформатора

После расчета всех выпрямителей, обеспечивающих питание узлов усилителя, выполняем расчет силового трансформатора выпрямителя.

,

Р_ГАБ= 1,5*Р₀, Р_ГАБ=26,7 Вт

Р₀=U₀*I_0, Р₀=17,8 Вт

Р_тр= 26,7*2=53,4 Вт.

Находим параметр трансформатора

Для выбора магнитопровода необходимо найти произведение площадей поперечного сечения магнитопровода (стали) и окна для размещения обмотки .

;

; ,

где a, b, c, h - геометрические параметры сердечника.

- коэффициент полезного действия трансформатора. Для маломощного трансформатора 0,7 ч 0,85;

- частота сети, 50 Гц;

- максимальное значение индукции в сердечнике, Т. Для ленточных трансформаторов, которые рекомендуется использовать на малых мощностях, следует принимать1,5 ч 1,65 Т;

- плотность тока в обмотке трансформатора, А/мм^5. Для обмоток с воздушным охлаждением трансформаторов малой мощности можно взять 3 ч 5 А/мм²;

- коэффициент заполнения окна медью. Обычно 0,22 ч 0,28;

- коэффициент заполнения поперечного сечения сердечника сталью. Для ленточных магнитопроводов 0,93 ч 0,95.

=31,72 см⁴.

По величине и таблице 5.2 находим нужный типоразмер сердечника.

Типоразмер	а, мм	b, мм	с, мм	h, мм	SC, см2	SOK, см2	SСSОК, см4
ШЛ16х32	8	16	32	40	5,12	6,40	32,37

Рисунок 6. Ленточные броневые магнитопроводы типа ШЛ

Определяем число витков в обмотках трансформатора

Число витков в первичной обмотке

,

где - напряжение сети (первичной обмотки трансформатора), В;

- потери напряжения в первичной обмотке, %.

?₁=1213

Число витков во вторичной обмотке

,

где - напряжение сети (первичной обмотки трансформатора)

Размещено на http://www.allbest.ru/

=2B*U₀=22,71 В;

- потери напряжения во вторичной обмотке, %.

?₂=572.

4 Расчет диаметра и выбор проводов обмоток

Диаметр провода вторичной обмотки без учета толщины изоляции находим по действующему значению тока в обмотке , определенному ранее.

[мм],

где - плотность тока в обмотке.

I₂=0,67 A.

d₂=0,53 мм.

Ток в первичной обмотке будет равен

.

I₁=0,07 A.

Диаметр провода первичной обмотки будет

[мм].

d₁=0,172 мм.

Полученные диаметры проводов округляем до ближайших стандартных по таблице 4.3.

Выбираем марку обмоточных проводов для d₂ ПЭВ-1=0,2206 мм², для d₁ ПЭВ-2=0,0227 мм².

Заключение

По результатам курсовой работы было спроектировано и рассчитано усилительное устройство, блок питания, цифровое устройство.

Были получены теоретические и практические навыки в разработке и проектировании аналоговых и цифровых электронных устройств.

Библиографический список

1. Гутников., В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. -Л.: Энергоатомиздат, 1988.-304 с.

2. Лурье, М.С. Промышленная электроника. Аналоговые устройства промышленной электроники. - Красноярск: КГТА, 1996. - 179 с.

3. Лурье, М.С. Электротехника и электроника. Промышленная электроника: учебное пособие по курсовому проектированию для студентов всех направлений подготовки и всех форм обучения /М.С. Лурье, О.М. Лурье, А.С.Фролов. - Красноярск.: СибГТУ, 2013. - 108 с.

4. СТП СибГТУ 3.4.205-01. Требования к оформлению графических работ; СибГТУ. - Красноярск, 2001. -52 с.

Размещено на Allbest.ru

...