Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Проектирование электронных усилительных устройств систем автоматического управления

Содержание

Введение

1. Техническое задание

2. Расчет оконечного каскада усиления, работающего в классе В

2.1 Выбор транзисторов оконечного каскада усиления

2.2 Расчет площади теплоотвода и числа параллельно включаемых транзисторов

2.3 Расчет величин сопротивлений уравнительных резисторов

2.4 Расчет величин термостабилизирующих резисторов выходного каскада

3. Расчет предварительных каскадов усиления

3.1 Выбор транзисторов предварительных каскадов усиления

3.2 Расчет сопротивлений резисторов промежуточного каскада усиления

4. Расчет внешних цепей усилителя

4.1 Расчет коэффициента усиления охватываемой части усилителя и коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи

4.2 Расчет параметров внешних цепей усилителя с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению

4.3 Расчет требуемой точности и выбор типа резисторов

Список литературы

Введение

Транзисторы и способы их включения, схему каскада и режим работы выбирают в основном из условий обеспечения заданной мощности и высокого коэффициента полезного действия при допустимых линейных и частотных искажениях. При выборе предварительной схемы усилителя необходимо принимать во внимание следующее. Оконечные каскады могут быть собраны по однотактной и двухтактной схеме.

Однотактная схема позволяет сэкономить один транзистор и получить достаточно малый коэффициент гармоник (2-7)%, однако она работает только в классе А и теоретически не может дать коэффициент полезного действия выше 50%. При этом нужно учитывать, что при отсутствии входного сигнала такой усилитель потребляет большую энергию.

Для обеспечения наибольшего значения коэффициента полезного действия усилительные элементы должны работать в классах АВ, B или D.

Поскольку отклонение сигнала рассогласования, формируемого сумматором, может быть как положительным, так и отрицательным, то усилитель мощности необходимо строить по двухтактной схеме, позволяющей избежать искажения формы входного сигнала, при сохранении высокого значения коэффициента полезного действия.

Двухтактная схема, работающая в классе B, теоретически может обеспечить коэффициент полезного действия до 78%, при этом минимальный коэффициент гармоник равен (6-10)%.

Двухтактный каскад в режиме АВ обеспечивает меньшие нелинейные искажения, чем в классе В, но имеет меньший коэффициент полезного действия. Управляющие устройства усилителя класса D существенно сложнее предварительных каскадов линейного усилителя.

Кроме того, в заданиях по курсовому проекту мощность, отдаваемая в нагрузку, сравнительно невелика. Поэтому в качестве основного варианта будем рассматривать режим работы усилителя класса B.

Двухтактная схема, собранная в классе B, способна увеличивать как положительный, так и отрицательный сигналы на выходе усилителя.

1. Техническое задание

электронный усилительный автоматический транзистор

Проектируемый усилитель предназначен для работы в составе системы автоматического управления. Его функция заключается в выполнении операции суммирования сигнала входного датчика, сигналов главной и корректирующей обратной связей системы управления и усиления сигнала рассогласования по величине мощности.

I. Параметры и характеристики нагрузки:

1. Активное сопротивление нагрузки:

2. Максимальный ток нагрузки:

II. Данные источников входных сигналов:

3. Внутреннее сопротивление датчиков сигнала управления:

4. Внутреннее сопротивление датчиков корректирующей обратной связи:

5. Внутреннее сопротивление датчиков главной обратной связи:

6. Отклонение внутренних сопротивлений: Ом

7. Остаточные напряжения источников входных сигналов:

III. Основные требования к качеству работы усилителя:

8. Коэффициенты передачи по напряжению (по входам сигнала): , , .

9. Допустимые отклонения коэффициентов передачи:

10. Максимально допустимое значение дрейфа входного сигнала (допустимое значение напряжения покоя): .

11. Входное сопротивление усилителя по входам : , , .

IV. Эксплуатационные и конструктивные требования:

12. Диапазон изменения температуры окружающей среды: ч

13. Среднее время безотказной работы: 5000 часов.

14. При конструирование должны быть обеспечены возможно меньшие массогабаритные показатели.

15. Усилитель монтируется на плате. Соединение с источником питания, входными сигналами, нагрузкой и пр. осуществляется с помощью разъема.

16. Усилитель должен включать в себя следующие элементы: сумматор, осуществляющий суммирование , , и определяющий сигнал рассогласования, который представляет собой входной сигнал усилителя с сигналом отрицательной обратной связи , охватывающей усилитель; предварительный усилитель (операционный усилитель), обеспечивающий усиление сигнала рассогласования и защиту усилителя от перенапряжений; усилитель мощности, обеспечивающий передачу необходимой мощности в нагрузку и защиту усилителя от перегрузок по току; цепь отрицательно обратной связи, охватывающая усилитель и обеспечивающая заданную точность и стабильность характеристик усилителя.

V. Прочие параметры:

17. Схема включения транзисторов в выходном каскаде: ОК, ОК.

2. Расчет оконечного каскада усиления, работающего в классе В

2.1 Выбор транзисторов оконечного каскада усиления

По техническому заданию, значение частоты Гц. Также выбираем двухполярный источник питания, в котором .

Определяем напряжение источника питания :

,

где - максимальное значение напряжения на нагрузке, заданное по техническому заданию; - максимальная величина ЭДС самоиндукции в случае активно-индуктивной нагрузки;

Полученное значение округляется до ближайшего номинального значения, т.е. .

.

.

Получаем условия выбора транзисторов:

Таблица 1. Паспортные данные на транзисторы КТ816В - КТ817В

Параметры	Ед. изм.	Марки транзисторов и тип их проводимости
		КТ816В p-n-p	КТ817В n-p-n
	В	60	60
, (при	В	1	1
	В	5	5
, (при	В	1,5	1,5
	А	3	3
	А	1	1
	мА	0,1	0,1
	мА	-	-
	Вт	1	1
	-	20	20
	-	-	-
	0С/Вт	5	5
	0С/Вт	95	95
	0С	150	150
	кГц	3000	3000
	см2	0,858	0,858
М	г	0,7	0,7

Выбираем комплиментарные пары транзисторов КТ816В (p-n-p) - КТ817В (n-p-n), поскольку энергетическая составляющая транзисторов в этом случае минимальна.

Также наиболее приемлемыми являются массово-габаритные показатели по сравнению с остальными транзисторам, которые нам подходят.

2.2 Расчет площади теплоотвода и числа параллельно включаемых транзисторов

Определяем область допустимых значений числа пар параллельно включаемых транзисторов из соотношения:

;

;

- температурное сопротивление “корпус-среда”.

- температурное сопротивление “переход-корпус”.

- температурное сопротивление “корпус-теплоотвод”, где определяется, как .

- коэффициент загрузки (ослабления режима) по рассеиваемой мощности.

- наибольшая (верхняя) температура окружающей среды, которая по техническому заданию определена, как 60.

Построим график зависимости и , где и - площади, занимаемые N количеством транзисторов.

,

где - коэффициент теплоотдачи, зависящий от конструкции, обработки поверхности и материала теплоотвода.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 1

По рис. 1 следует, что оптимальное число пар параллельных транзисторов , откуда площадь теплоотвода .

Так как большое число параллельно включенных транзисторов уменьшает надежность и увеличивает стоимость разрабатываемого усилителя, то целесообразно принять .

При получаем, что - для плоского радиатора.

Исходя из габаритных показателей, лучше всего взять вместо плоского, ребристый радиатор, площадь основания которого

.

Далее возможны два инженерных решения по конструированию радиатора:

- размещение нескольких (в рассматриваемом случае двух) параллельно включаемых транзисторов на одном радиаторе;

- размещение каждого из параллельно включаемых транзисторов на отдельном радиаторе. При этом полученную площадь основания, также как и рассеиваемую мощность следует разделить на число параллельно включаемых транзисторов.

Проведем расчет, когда несколько параллельно включенных транзисторов находятся на разных радиаторах. С площадью основания:

.

При этом выделяемая энергия каждого транзистора:

Зададим размеры и толщину каждого теплоотвода:

; ; ;

Определяем тепловой коэффициент данного радиатора:

.

В качестве материала теплоотвода возьмем алюминий с теплопроводностью .

Радиус окружности транзистора с круглым основанием : м.

Определяем коэффициенты и :

Исходя из полученных значений и , принимаем

Определяем коэффициент теплоотдачи поверхности радиатора и коэффициент :

По вычисленным значениям и , определяем, что .

Определяем величину перегрева радиатора в области монтажа транзистора , средне-поверхностный перегрев радиатора и максимальную температуру теплоотвода :

Из данных по определяем коэффициент

Вычисляем коэффициенты и (для неокрашенного радиатора принимаем , , ):

;

.

Суммарный коэффициент вычисляется по формуле:

.

Определяем эффективный коэффициент теплоотдачи ребристой поверхности радиатора:

.

Далее находим площадь ребристой поверхности радиатора :

.

И определяем число ребер радиатора, приняв и :

.

Находим высоту ребер:

Определим объем теплоотвода:

.

2.3 Расчет величин сопротивлений уравнительных резисторов

Принимаем допустимую разницу температур по паспортным данным на транзисторы КТ816А (КТ817А) ; ; , где - разброс характеристик транзистора по току силовой цепи.

Рис. 2. Схема подключения уравнительных резисторов в выходной

каскад

Схема, показанная на рис. 2, используется при конечной стыковке всего усилителя в целом и показывает расположение резисторов в выходном каскаде усилителя мощности. Так как при разработке используются комплементарные пары транзисторов, то данная схема будет такой же и у обратных транзисторов (“n-p-n”-переход).

Определяем допустимую величину отношения токов параллельно соединенных транзисторов:

Определяем входное сопротивление транзистора КТ816В (КТ817В) из следующих паспортных данных: при и :

.

Так как коэффициент усиления не указан в паспортных данных, то принимаем его

.

Определяем максимальное значение крутизны переходной характеристики :

Определяем уравнительное сопротивление :

.

Полученное сопротивление определяем по ряду номинальных значений в таблице Е24: 1 Из ряда Е24 выбираем резистор номиналом 1 Ом, который будет обеспечивать =1.562 Вт

.

2.4 Расчет величин термостабилизирующих резисторов выходного каскада

Принимаем - коэффициент, учитывающий технологический разброс величин обратного тока;

- масштабный коэффициент;

- нормальная температура перехода (из справочных данных);

.

Из паспортных данных на 2Т830В (2Т831В) следует, что .

По зависимости отношения токов , можно определить

Для определения величины внешнего резистора необходимо построить графически зависимости и .

Необходимые данные на транзисторы 2Т830В-2Т831В, полученные в результате расчетов в пунктах 2.1, 2.2 и 2.3: ; ; ; ; ; ; ; . Также определим эмпирический поправочный коэффициент и объемное сопротивление

Определим температурный потенциал :

Определим зависимости и из следующих формул:

,

где - коэффициент передачи тока в схеме с общей базой; и - ток и напряжение источника, где == 0 при пассивном запирании транзистора. Отсюда, выводя , получаем формулу:

,

где аргумент функции изменяется в следующих пределах:

.

;

Аргумент функции:

Формула КПД транзистора:

,

где нагрузочная мощность и потери мощность в каскаде (здесь - потери мощности в закрытом плече каскада, - потери мощности в открытом плече каскада):

;

,

где - потери во входной цепи.

- потери на эмиттерном сопротивлении.

- потери на открытом транзисторе.

;

Таблица 3. Значения и от

, мА.
0,1	241,957	0,8716
0,3	499,571	0,8732
0,7	791,729	0,8736
1	952,157	0,8737
2	1407,686	0,8734
3	1896,997	0,8731
4	2544,5	0,8727
5	3541,883	0,8723
6	5395,018	0,8719

Из таблицы 3 и рис. 3 видно, что при

Рисунок 3

3. Расчет предварительных каскадов усиления

3.1 Выбор транзисторов предварительных каскадов усиления

При следующих найденных и заданных данных можно определить ток нагрузки каскада предварительного усиления и входное сопротивление на комплементарные транзисторы выходного каскада 2Т830В-2Т831В:

,

; ; 952 ; .

.

Определяем максимальное значение мощности, рассеиваемой на транзисторе:

;

(условие из пункта 2.1)

Получаем условия выбора транзисторов:

Таблица 4. Паспортные данные на транзисторы КТ502Б(p-n-p)-

КТ503Б(n-p-n)

Справочные данные	Величины
	60 В
при и	не более 0,6 В
	5 В
при и	не более 0,8 В
	0,15 А
	0,1 А
	0,001 мА
	0,35 Вт
	80-240
	5 МГц
	0.858 см2
	0,3 г.

3.2 Расчет сопротивлений резисторов промежуточного каскада усиления

Исходя из предыдущих расчетов получаем, что для стыковки предварительного и выходного каскада, необходим еще один усилительный каскад, со следующими данными:

; - ток нагрузки следующего (выходного) каскада усиления;

- сопротивление нагрузки следующего (выходного) каскада.

В соответствии со схемой включения транзисторов в выходном каскаде (схема определена в техническом задании), выбираем следующую схему усилительного каскада (см. рис. 4):



Рис. 4. Схема усилительного каскада

где - входное сопротивление следующего каскада усиления; А и В - точки подключения следующего каскада.

Условие 1: определяем достаточность входного напряжения усилительного каскада из зависимости . В качестве усилителя-сумматора предварительно выбираем операционный усилитель К140УД9, максимальное напряжение на выходе которого ; минимально допустимое значение сопротивления нагрузки . Поскольку данные о внутреннем сопротивлении микросхемы отсутствуют, то для расчетов приминаем . Номинальное напряжение питания микросхемы ±12,5 В, что соответствует напряжению источника питания.

Условие 2: определяем ограничение тока базы транзистора допустимым значением из зависимости :

,

где - коэффициент запаса по току, который выбирается в интервале значений от 1,1 до 1,3. Т. о.,

Условие 3: определяем требуемое входное сопротивление каскада из зависимости :

,

где - входное сопротивление транзистора данного каскада усиления

т.е. условие вырождается в .

Условие 4: определяем условия обеспечения требуемой термостабилизации из зависимости :



Условие 5: определяем условие обеспечения требуемого тока в нагрузке из зависимости :

Условие 6: определяем условие ограничение значения обратного напряжения из ограничения на максимально допустимое значение :

Из полученной области выбираем, что , Ом

4. Расчет внешних цепей усилителя

4.1 Расчет коэффициента усиления охватываемой части усилителя и коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи

Данный усилитель имеет три входа, коэффициент передачи по которым: ; ; , где погрешность воспроизведения коэффициентов усиления по всем входам

Сопротивление нагрузки

Примем коэффициент усилителя мощности: и .

Выходное сопротивление усилителя мощности

Входное сопротивление усилителя мощности

Коэффициент усиления операционного усилителя: и .

Найдем номинальный и относительный коэффициент усиления усилителя мощности:

и ,

где ,

.

- коэффициент, учитывающий перераспределение сигналов, поданных на усилитель, между сопротивлениями внешних резисторов и входным сопротивлением первого каскада для дифференциального сигнала. Здесь - наибольший коэффициент усиления по входу, относительно которого рассчитывается усилитель.

- коэффициент, учитывающий перераспределение напряжения холостого хода усилителя между внутренним сопротивлением усилителя мощности и сопротивлением нагрузки, где

Отклонения и коэффициентов и , соответственно, в расчетах не учитываются, поскольку ,

Построим график функциональной зависимости из следующих соотношений:

,

при и

,

при и

С учетом того, что должно быть как можно больше (для уменьшения требований точности элементов, влияющих на погрешность цепи отрицательной обратной связи) и - как можно меньше (для увеличения динамической устойчивости усилителя), то принимаем, что при . Так как имеющееся значение больше требуемого (), то выбранный операционный усилитель К140УД9 подходит для использования его в качестве предварительного усилителя-сумматора.

Определим коэффициент обратной связи :

Найдем действительную погрешность усилителя при и по следующему отношению:

Определим выходное сопротивление :

Определим допустимое значение

4.2 Расчет параметров внешних цепей усилителя с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению

Так как в справочных данных не приводится параметры изменения операционного усилителя от температуры окружающей среды, от времени и при отклонении напряжения питания от номинального, то возьмем типичные для этих микросхем параметры.

На операционный усилитель К140УД9, задаем изменение параметров усилителя от температуры окружающей среды:

;; .

На операционный усилитель К140УД9, задаем величины характеризующие изменение параметров операционного усилителя от времени:

; ; .

Таким же образом, принимаем и изменение значений параметров операционного усилителя при отклонении напряжения питания от номинального значения на 10%, то есть

; ;

; .

Допустимая разность температур определяется по формуле:

,

где - нормальная температура окружающей среды, соответствующая 20 ; - нижний предел температуры, заданный в техническом задании. Таким образом, .

Время безотказной работы, по техническому заданию, ч.

Вычислим параметры, определяющие ошибку в работе операционного усилителя:

А.

А.

В.

Построим функциональную зависимость из условия, что напряжение покоя должно быть меньше допустимой величины дрейфа сигнала . Получаем ограничения на погрешность резисторов внешних цепей, обеспечивающее требование к стабильности выходного напряжения усилителя.

,

где - задано в техническом задании; и являются , , и , , , соответственно, также указаны в техническом задании, как и отклонение внутренних сопротивлений .

Для упрощения расчета формулы удобно разбить ее на следующие составляющие:

;

;

+;

.

Результирующая формула (кривая 1):

;

Второе условие ограничения на погрешность резисторов внешней цепи вычисляется следующим образом (кривая 2):

;

С учетом следующих ограничений , получаем условия:

,

где - наибольшее входное сопротивление усилителя, для которого производится расчет.

Из области допустимых значений выбираем и .

Определяем сопротивление, стоящие в цепи обратной связи:

Находим сопротивления входных цепей усилителя:



4.3 Расчет требуемой точности и выбор типа резисторов

Из предыдущих расчетов получаем, что допустимая точность резисторов внешних цепей составляет . Время безотказной работы по техническому заданию:

Значение номинальных сопротивлений резисторов С2-50, соответствующие ряду Е24, имеют производственный допуск ; что превышает допустимую точность . Поэтому будем рассматривать резисторы С2-50 необходимо рассчитывать, как соответствующие ряду Е96 с производственным допуском ; ; .

Таблица 5. Погрешности резисторов различных типов

№ п./п.	1	2	3	4	5
Номинальная мощность, Вт	0,5	0,25	0,25	1,25	0,5
Тип резистора	С2-23-0,5	C2-33И	C2-50	МТ	Р1-4-0,5
Номинальный ряд	Е96	E96	E96	E96	E96
,%	0,5	1,0	2,0	0,5	1,0	2,0	0,5	1,0	2,0	0,5	1,0	2,0	1,0	2,0
(ТКС), до + 20	350	350	250	250	300
(ТКС), от + 20	100	250	100	50	100
	1,0	2,0	4,0	1,0	2,0	4,0	1,0	2,0	4,0	1,0	2,0	4,0	2,0	4,0
	0,4	1,0	0,4	0,2	0,4
	2,8	2,8	2,0	2,0	2,4
Время наработки , ч	25000	20000	20000	20000	30000
	0,2	0,4	0,8	0,25	0,5	1,0	0,25	0,5	1,0	0,25	0,5	1,0	0,33	0,66
	1,1	1,8	3,2	1,75	2,5	4,0	1,15	1,9	3,4	0,95	1,7	3,2	1,73	3,06
	3,5	4,2	5,6	3,55	4,3	5,8	2,75	3,5	5,0	2,75	3,5	5,0	3,73	5,06
V,	20,7	22,6	14,4	20,7	37,77
m, г	0,15	0,2	0,15	0,15	0,5

Покажем примеры расчетов для резистора С2-50:

Определяем погрешности от изменения температуры окружающей среды :

- для нижнего предела температуры (-60)

- для верхнего предела температуры (+60)

Так как в справочных данных не приведена информация об , то принимаем

.

Рассчитываем погрешности от старения R_t в зависимости от :

- для резистора с производственным допуском

- для резистора с производственным допуском

- для резисторов с производственным допуском

В заключение определяем общую величину погрешности резистора:

- для резистора с производственным допуском

- для резистора с производственным допуском

- для резисторов с производственным допуском

По аналогии производится расчет для резисторов С2-33И, С2-50, МТ и P1-4-0,5.

Исходя из данных таблицы, окончательно выбираем резисторы С2-23-0,5 (производимые номиналом от 0,2 Ом до 1 МОм), с производственным допуском 0,5%, которые имеют лучшие массогабаритные параметры, большую длительность безотказной работы и удовлетворяют полученной точности усилителя мощности.

Также, для резисторов сопротивлением более 1 МОм, выбираем тип С2-50 (производимые номиналом от 1 Ом и свыше 1 МОм), с производственным допуском 2%, по тем же причинам, что и для резисторов С2-23-0,5.

Список литературы

1. “Проектирование электронных усилительных устройств систем автоматического управления” / В.Ф. Шишлаков - Санкт-Петербург, 2005 г.

2. «Транзисторы для аппаратуры широкого применения» / Б.П. Перельман - Москва «Радио и связь», 1981 год.

3. «Транзисторы. Справочник. Выпуск 1144» / О.П. Григорьев - Москва «Радио и связь», 1989 год.

Размещено на Allbest.ru