Усилитель постоянного тока
Усилителями постоянного тока как устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов, знакомство с отличительными особенностями. Способы моделирования усилителя постоянного тока с помощью программного обеспечения Electronics WorkBench.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.02.2019 |
| Размер файла | 2,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
Усилителями постоянного тока (УПТ) называют устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов. Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузке. Отличительной особенностью УПТ является отсутствие разделительных конденсаторов, предназначенных для отделения усилительных каскадов и нагрузки друг от друга.
В курсовом проекте рассматривается УПТ, служащий для усиления медленно меняющихся сигналов, значение которых после изменения остается постоянным.
УПТ преобразует сигнал, идущий из измерительного в аналого-цифровой преобразователь. Так как сигнал слишком мал, для того что бы прибор мог его оцифровать, сигнал надо усилить. Таким образом, усилитель постоянного тока предназначен для усиления сигналов с датчика, а также для создания входного сигнала аналого-цифрового преобразователя.
Так же в данном курсовом проекте произведено моделирование усилителя постоянного тока с помощью программного обеспечения Electronics WorkBench для сравнения полученных результатов в моделировании и ручного расчета.
1. Разработка структурной схемы источника питания
ток усилитель программный
Структурная схема источника питания усилителя постоянного тока представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема источника питания:
ПТ-- понижающий трансформатор
В -- выпрямитель
СФ -- сглаживающий фильтр
СН -- стабилизатор напряжения
Понижающий трансформатор --прибор, который необходим для понижения напряжения сети переменного тока.
Выпрямитель -- полупроводниковый преобразователь энергии, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.
Сглаживающий фильтр -- устройство, предназначенное для уменьшения пульсации на выходе выпрямителя.
Стабилизатор -- устройство, предназначенное для автоматического поддержания напряжения или тока при изменении входного напряжения, тока нагрузки в заданных пределах по техническому заданию на 10%.
2. Разработка структурной схемы усилительного каскада
Усилительный каскад имеет структуру, изображенную на рисунке 2.
Рисунок 2. структурная схема усилительного каскада:
ПУ - предварительный усилитель;
ФНЧ - фильтр низких частот;
УМ - усилитель мощности.
Предварительный усилитель -- усилитель напряжения, который усиливает слабый (по напряжению) электрический сигнал.
Фильтр нижних частот -- фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза) и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты.
Усилитель мощности - устройство, необходимое для преобразования небольшого по мощности электрического сигнала, поступающего от источника, в более мощный сигнал, выделяемый в нагрузку.
3. Расчёт источника питания
Источник питания в схеме усилителя постоянного тока необходим для питания микросхем. Обычно источник питания обеспечивает напряжение 15В. В схеме источника питания выделяют следующие основные части: понижающий 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 полезного действия.
Схема параметрического стабилизатора представлена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема параметрического стабилизатора напряжения
По напряжению в нагрузке выбираем стабилитрон Uст ?Uн 2С213Е. Параметры стабилитрона приведены в таблице 1. [1]
Таблица 1. Параметры стабилитрона 2С213Е
|
Тип стабилитрона |
||||||
|
2С213Е |
12,4..15 |
3 |
70 |
23 |
60 |
Находим ток нагрузки стабилизатора:
,
где - заданный ТЗ ток нагрузки усилителя;
In - ток потребления выбранного ОУ;
n - число использованных ОУ.
;
Выберем ток рабочей точки стабилитрона внутри рабочей области:
Рассчитаем ток, потребляемый схемой:
Выберем входное напряжение :
).
Рассчитаем сопротивление резистора R1, из напряжения на нем
.
Находим абсолютное изменение входного напряжения по нестабильности входного напряжения в %:
.
Определим изменение тока через резистор R1:
.
Исходя из того, что , проверим правильность выбора рабочей точки:
,
,
,
.
Рассчитаем изменение выходного напряжения схемы:
.
Вычислим коэффициент стабилизации стабилизатора:
.
В таблице 2 приведены параметры рассчитанного стабилизатора:
Таблица 2. Параметры рассчитанного стабилизатора
|
15 |
20 |
20 |
23 |
63 |
1,75 |
Коэффициент стабилизации рассчитанного стабилитрона слишком мал (<10). Поэтому для повышения коэффициента стабилизации используем микросхему К142ЕН6. Основные параметры микросхемы представлены в таблице 3, а схема подключения изображена на рисунке 4.
Рисунок 4. схема подключения стабилизатора
Стабилизатор напряжения имеет следующие выводы:
15- вход (+);
13-выход(+);
4-выход(-);
6-вход(-);
11-коррекция (+);
17-коррекция (-);
8-общий вывод.
Таблица 3. Параметры микросхемы К142ЕН6
|
Тип |
Uвых , В |
Uвх.max,B |
Iпит, мА |
Кст, %/В |
ТКUвых,%/град |
|
|
К142ЕН6 |
30 |
0,002 |
0,02 |
Изменение напряжения на входе зависит от нестабильности питающего напряжения:
.
Рассчитаем нестабильность напряжения на выходе стабилизатора при использовании микросхемы:
.
Определим коэффициент стабилизации при использовании микросхемы:
.
Коэффициент стабилизации, по данным расчётам ,удовлетворяет следующему условию: .
Ёмкость конденсаторов цепи коррекции (С1 = С2) должна находиться в пределе (0,1..1) мкФ. Выбираются конденсаторы типа К10-17а, параметры которых представлены в таблице 4.
Таблица 4. Параметры конденсатора К10-17а
|
Тип конденсатора |
Uн , В |
??,мкФ |
|
|
К10-17а |
20 |
1 |
3.2 Расчет выпрямителя
Выпрямитель необходим для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямители состоят из следующих основных частей:
- трансформатор - устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети;
- выпрямительный элемент, имеющий одностороннюю проводимость, необходим для преобразования переменного напряжения в пульсирующее;
- фильтр - нужен для сглаживания пульсирующего напряжения.
В курсовом проекте используется двухполупериодный выпрямитель, построенный на диодном мосте, схема которого представлена на рисунке 5.
Рисунок 5. схема двухполупериодного выпрямителя
Рассчитаем ток на выходе выпрямителя:
,
где - ток, потребляемый микросхемой.
Определим сопротивление нагрузки:
.
Вычислим напряжение на выходе выпрямителя:
Выберем диоды по току , который они должны обеспечить, таким образом, чтобы и .
По данным условиям был выбран диод КД106А, параметры которого приведены в таблице 5.
Таблица 5. Параметры диода КД106А
|
Тип диода |
Uобр , В |
||
|
КД106А |
0,3 |
Рассчитаем коэффициент трансформации понижающего трансформатора от 220 В до требуемого значения напряжения на выходе выпрямителя:
Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения выберем конденсатор для сглаживающего фильтра.
Выбор конденсатора производим в соответствии с условиями:
- Емкость конденсатора должна быть не меньше рассчитанного;
- Рабочее напряжение конденсаторов должно быть не меньше выпрямительного.
Определим ёмкость конденсатора:
В соответствии с расчётами выберем конденсатор К50-6, параметры которого представлены в таблице 6.
Таблица 6. Параметры конденсатора К50-6
|
Тип конденсатора |
Uн , В |
||
|
К50-6 |
50 |
4. Расчёт усилителя постоянного тока
Усилитель постоянного тока состоит из трех каскадов:
ПУ - предварительный усилитель;
ФНЧ - фильтр низких частот;
УМ - усилитель мощности.
Диапазон изменения входного сигнала:
Uвх = 2...12 мВ.
Выходной сигнал:
Uвых = 1 В.
Рассчитаем коэффициент передачи усилителя:
.
Коэффициент передачи усилителя состоит из произведения коэффициентов передачи отдельных узлов, входящих в него:
где:
- коэффициент передачи предварительного усилителя,
- коэффициент передачи фильтра нижних частот,
- коэффициент передачи усилителя мощности.
Распределяем коэффициенты передачи отдельных узлов:
, ,
4.1 Расчет усилителя мощности
Основная задача усилителя мощности - усилить выходной сигнал фильтра нижних частот до определенного уровня учитывая коэффициент передачи всего каскада усилителя.
Схема усилителя мощности представлена на рисунке 6.
Рисунок 6. Схема усилителя мощности
Определим мощность в нагрузке:
Найдем мощность рассеивания:
Как видно, рассеиваемая мощность мала, поэтому для комплементарной пары выбираются транзисторы малой мощности.
Находим коэффициент усиления по току:
Таким образом, будем использовать усилитель мощности класса B. Выбираем комплементарную пару транзисторов (n-p-n,p-n-p) при условии , что и . Характеристики, выбранных транзисторов приведены в таблице 6:
Таблица 6 - Комплементарная пара транзисторов
|
Название |
Тип |
Ik.max,мА |
Ukэ.max, В |
Uкбо. max , B |
Pk.max, мВт |
||
|
КТ315Д |
n-p-n |
100 |
40 |
50 |
150 |
20-90 |
|
|
КТ361Д |
p-n-p |
100 |
40 |
50 |
150 |
20-90 |
Чтобы обезопасить транзисторы от выхода из строя, к комплементарной паре подключают резистор = 390 Ом. Для усилителя мощности выбираем резистор C2-23-390Ом.
4.2 Расчёт фильтра нижних частот
Фильтр нижних частот - это фильтр, который пропускает сигналы от нулевой частоты до заданной c, называемой частотой среза.
Выбираем ФНЧ Баттерворта. В данном фильтре используется только отрицательная обратная связь. Схема ФНЧ представлена на рисунке 7.[2]
Рисунок 7 - Схема ФНЧ
Произведем расчет фильтра с расчета емкости С1:
,
где - верхняя граница заданного частотного диапазона, то есть частота среза.
Задаются полиноминальные коэффициенты для ФНЧ 2 порядка:
b = 1,4142,
c = 1,
А = 4,15, где А - теоретический коэффициент усиления ФНЧ;
Рассчитываем емкость С2:
Рассчитываются значения сопротивлений:
Произведем моделирование ФНЧ с помощью программного обеспечения Electronics WorkBench для того, чтобы сравнить полученные результаты в моделировании и ручного расчета. При моделировании были получены основные характеристики фильтра нижних частот - АЧХ и ФЧХ, представленные в приложении Б. По данной АЧХ можно сказать, что ФНЧ смоделирован верно, так как частотный диапазон соответствует частотному диапазону, заданному в техническом задании, а именно от 0 до 1000 Гц и коэффициент передачи фильтра нижних частот равен 4. Спад АЧХ равен:
В качестве микросхемы для ФНЧ выбираем микросхему типа К140УД6, основные характеристики микросхемы приведены в таблице 7.
Таблица 7. Основные характеристики микросхемы К140УД6
|
Тип |
Ку, тыс. |
Uпит, В |
Iпит, мА |
Uвых, В |
ТКесм, мкВ/град |
|
|
К140УД6 |
50 |
15 |
4 |
12 |
20 |
Далее подберём резисторы и конденсаторы для ФНЧ, приведенные в таблицах 8 и 9 соответственно.
Таблица 8. Выбор резисторов для ФНЧ
Таблица 9. Выбор конденсаторов для ФНЧ
4.3 Расчёт предварительного усилителя
Предварительный усилитель предназначен для усиления сигнала до некоторого значения, который затем передается на фильтр нижних частот (ФНЧ).
Схема предварительного усилителя представлена на рисунке 8.
Рисунок 8 - Схема предварительного усилителя
Используем неинвертирующий усилитель. Он обладает большим входным сопротивлением и выходным сопротивлением, стремящимся к нулю.
Определим значения сопротивлений резисторов :
= 20.
Исходя из этого условия, выберем резисторы:
= 20 кОм и = 380 кОм.
Для предварительного усилителя выберем микросхему К140УД17. Мы выбрали эту микросхему, так как она имеет малый температурный коэффициент, что обеспечивает малую погрешность напряжения смещения.
Основные характеристики данной микросхемы приведены в таблице 10.
Схема включения микросхемы представлена на рисунке 9.
Таблица 10. Основные характеристики микросхемы К140УД17
|
Тип |
Ку, тыс |
Uпит, В |
Iпит, мА |
Uвых, В |
ТКесм, мкВ/град |
|
|
К140УД17 |
150 |
3-18 |
5 |
12 |
1,3 |
Рисунок 9 - Схема включения микросхемы К140УД17
Необходимо выбрать резисторы для схемы предварительного усилителя. Они представлены в таблице 11.
Таблица 11 - Характеристики резисторов
|
Обозначение резисторов |
Тип резисторов |
Номинальное сопротивление, кОм |
Мощность, Вт |
|
|
С1-4 |
20 |
0,125 |
||
|
С1-4 |
300 |
0,125 |
||
|
СП5-16ВВ |
180 |
0,125 |
Резистор R2 мы разбиваем на 2 для того, чтобы обеспечить регулировку чувствительности, поэтому один резистор у нас будет как потенциометр.
5. Расчёт погрешностей
В ходе эксплуатации усилителя постоянного тока, он непосредственно будет получать некоторое количество тепла, которое будет влиять на работоспособность усилителя. Усилитель обладает температурной погрешностью и погрешностью от нестабильного питающего напряжения.
5.1 Расчёт температурной погрешности
Рассчитаем температурный диапазон, заданный в техническом задании:
Погрешность, связанная с изменением напряжения питания, определяется как:
,
где Кп - коэффициент влияния нестабильности источника питания, равный 200 мкВ/В.
TKUст = 0,02 %/град - температурный коэффициент изменения напряжения стабилизатора.
где:
,
(В).
Находим - напряжение сдвига, приведённое ко входу усилителя.
Далее рассчитываем погрешность:
Таким образом, рассчитанная температурная погрешность меньше заданной, следовательно, микросхема усилителя выбрана верно.
5.2 Расчёт погрешности от нестабильности питающего напряжения
Изменение входного напряжения стабилизатора:
- это нестабильность питающего напряжения, заданная в ТЗ.
Рассчитаем изменение напряжения на выходе стабилизатора:
Изменение напряжения смещения на выходе усилителя:
,
где Kпит - коэффициент влияния нестабильности источника питания.
Данный коэффициент определяется отношением изменения напряжения смещения к вызывающему его изменению одного из напряжений питания.
Погрешность от нестабильности питающего напряжения не превышает погрешности от нестабильности выходного сигнала усилителя.
6. Описание схемы электрической принципиальной
ток усилитель программный
Схема электрическая принципиальная выполнена на листе формата А3 и представлена в приложении А.
Первый каскад представляет собой предварительный усилитель. Он собран из элементов: DA1, R1, R2, R3 и R4. Выбор такой схемы включения обусловлен тем, что неинвертирующий усилитель обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Резистор R4 предназначен для установки нуля.
Второй каскад - фильтр нижних частот. ФНЧ собран на элементах: DA2, R5, R6, R7, С1 и С2. Он выделяет рабочую полосу частот усилителя.
Третий каскад представляет собой усилитель мощности. Он собран из резистора R8 и комплементарной паре транзисторов VT1 и VT2. Усилитель мощности для усиления мощности выходного сигнала ФНЧ.
Блок питания собран из элементов: DA3, VD1 - VD8, C3, С4, С5, C6. Данный блок обеспечивает напряжение ±15 В для питания элементов усилителя.
Заключение
ток усилитель программный
В ходе данного курсового проекта был спроектирован усилитель постоянного тока.
Произведя расчет необходимых элементов, разработанный УПТ имеет следующие характеристики:
- напряжение источника питания - 220 В;
- частота источника питания - 50 Гц;
- диапазон изменения входного сигнала - 2..12 мВ;
- выходной сигнал - 1 В;
- частотный диапазон - 0..1000 Гц;
- сопротивление нагрузки - 50 Ом;
Для проверки правильности работы спроектированного УПТ был произведён расчёт температурной погрешности и погрешности от нестабильности питающего напряжения:
- температурная погрешность -
- погрешность от нестабильности питающего напряжения -
Полученные результаты соответствуют требованиям технического задания.
Для проверки правильности расчета было произведено моделирование усилителя постоянного тока. По полученным данным, можно сделать вывод о том, что усилитель смоделирован правильно и все элементы рассчитаны и подобраны верно.
Список использованных источников
1.Пащенко В.В., Арбузов В.П., Мишина М.А. Усилитель постоянного тока. Измерительный преобразователь.: Методческие указания к курсовой работе по курсу «Электроника». - Пенза: Изд. ПГУ, 2006г. - 20 с.
2.Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд. Л .: Энергоатомиздат. Ленингр. Отделение, 1988г. - 304 с.
3.Четвертков И.И., Дьяконов М.Н. Справочник. Конденсаторы. - М.: Радио и связь, 1993г. - 392 с.
4.Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/ под ред. Н. Н. Горюнова. - М.: Энергия - 1979г. - 744с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Изучение работы усилителей постоянного тока на транзисторах и интегральных микросхемах. Определение коэффициента усиления по напряжению. Амплитудная характеристика усилителя. Зависимость выходного напряжения от напряжения питания сети для усилителя тока.
лабораторная работа [3,3 M], добавлен 31.08.2013Назначение и описание выводов инвертирующего усилителя постоянного тока К140УД8. Рассмотрение справочных параметров и основной схемы включения операционного усилителя. Расчет погрешностей дрейфа напряжения смещения от температуры и входного тока.
реферат [157,8 K], добавлен 28.05.2012Выбор и анализ структурной схемы усилителя постоянного тока. Расчет дифференциального каскада усилителя, определение величины напряжения питания. Выбор транзисторов, расчет номинала резисторов. Коэффициент усиления конечного и дифференциального каскадов.
курсовая работа [197,2 K], добавлен 12.01.2015Методы измерения тока и напряжения. Проектирование цифрового измерителя мощности постоянного тока. Выбор элементной базы устройства согласно схеме электрической принципиальной, способа установки элементов. Расчет экономической эффективности устройства.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 21.07.2011Электрические машины постоянного и переменного тока. Трансформаторы, источники вторичного питания. Вентили, аккумуляторы и выпрямители. Преобразователи постоянного тока. Термоэлектрические генераторы. Защита человека от воздействия электромагнитного поля.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 10.03.2013Определение передаточных функций элементов системы автоматического регулирования (САР) частоты вращения вала двигателя постоянного тока. Оценка устойчивости и стабилизация разомкнутого контура САР. Анализ изменения коэффициента усиления усилителя.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 13.07.2015Ознакомление с конструкцией и принципом действия генератора постоянного тока с параллельным возбуждением. Экспериментальное измерение тока и напряжения якорной обмотки устройства. Построение внешней, регулировочной и нагрузочной характеристик генератора.
лабораторная работа [242,0 K], добавлен 17.02.2012Анализ основных методов расчёта линейных электрических цепей постоянного тока. Определение параметров четырёхполюсников различных схем и их свойства. Расчет электрической цепи синусоидального тока сосредоточенными параметрами при установившемся режиме.
курсовая работа [432,3 K], добавлен 03.08.2017Разработка усилителя электрических сигналов, состоящего из каскадов предварительного усилителя. Расчет двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности. Определение каскада с ОЭ графоаналитическим методом. Балансные (дифференциальные) усилители.
курсовая работа [672,4 K], добавлен 09.03.2013Расчет регулируемого электропривода постоянного тока; параметры тиристорного преобразователя. Моделирование контуров и скорости тока, настройка на модульный и симметричный оптимумы. Обработка переходных процессов и логарифмических частотных характеристик.
курсовая работа [2,9 M], добавлен 05.06.2013Принципиальная электрическая схема четырёхплечего неравновесного измерительного моста постоянного тока. Исследование чувствительности по напряжению мостовых измерительных схем постоянного напряжения, параметры при исследовании чувствительности схемы.
лабораторная работа [345,5 K], добавлен 03.12.2009Структура микроконтроллера семейства MCS-51. Управление трехфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с использованием датчиков. Структурная и принципиальная схемы системы управления. Формирование последовательности выходных сигналов.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 26.11.2012Схема ключевого преобразователя напряжения с импульсным трансформатором. Регулировка напряжения и тока через нагрузку. Схема управления обмотками трансформатора. Комплексный расчет однокаскадный параметрический стабилизатор напряжения постоянного тока.
курсовая работа [959,9 K], добавлен 28.04.2014Изучение общей методики расчета линейной электрической цепи постоянного тока, содержащей независимый источник электродвижущей силы. Описательная характеристика разветвленных электрических цепей однофазного синусоидального и несинусоидального тока.
методичка [342,2 K], добавлен 01.12.2015Разработка усилителя тока с помощью средств систем автоматизированного проектирования. Моделирование усилителя тока в Multisim. Расчет размеров, размещение радиоэлектронных компонентов на печатной плате, ее трассировка с помощью волнового алгоритма.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 21.10.2015Электрическое сопротивление постоянному току. Методы измерения сопротивления. Метод преобразования сопротивления в интервал времени, в ток и в напряжение. Градуировка прибора, расчет блока питания и погрешностей. Выбор усилителя постоянного напряжения.
курсовая работа [157,6 K], добавлен 13.06.2016Разработка электродвигателя постоянного тока общего назначения. Сердечники главного и добавочных полюсов. Обмотка якоря с овальными полузакрытыми пазами. Характеристика намагничивания машин. Коммутационные параметры, масса и динамические показатели.
курсовая работа [347,8 K], добавлен 16.11.2009Анализ исходных данных и выбор схемы импульсного управления исполнительным двигателем постоянного тока. Принцип работы устройства. Расчёт генератора линейно изменяющегося напряжения. Построение механической и регулировочной характеристик электродвигателя.
курсовая работа [843,9 K], добавлен 14.10.2009Измерение постоянного тока, расчет сопротивления шунта, определение погрешности измерения. Теоретические сведения. Параметры магнитоэлектрического прибора. Конcтруирование магнитоэлектрического прибора. Проверка миллиамперметра.
лабораторная работа [9,0 K], добавлен 10.06.2007Разработка регулируемого выпрямителя тиристорного электропривода постоянного тока. Принцип работы и устройство тиристорного электропривода. Расчет трудовых затрат и себестоимости изготовления устройства. Защита выпрямителя от перегрузки по напряжению.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 25.03.2019
