Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Приборостроительный факультет

Кафедра «Автоматика и управление»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Электронные устройства систем управления»

Тема проекта "Усилитель низкой частоты"

студент Стовбур Д.В.

Руководитель Константинова О.В.

Челябинск 2014



Исходные данные проекта

тип устройства - усилитель низкой частоты;

максимальная мощность в нагрузке, Рн= 64 Вт;

сопротивление в нагрузке, Ом;

минимальная частота полосы пропускания Гц;

максимальная частота полосы пропускания Гц;

коэффициент частотных искажений на граничных частотах дБ;

форма частотной характеристики огибающей спектр генерируемого сигнала - плоская;

коэффициент нелинейных искажений %;

выходное сопротивление устройства мОм;

входное сопротивление устройства мОм;

ЭДС генератора входного сигнала мВ;

выходное сопротивление генератора входного сигнала МОм;

диапазон регулирования выходной величины в % от максимального значения %;

диапазон изменения температуры среды ;

вид питающего напряжения 220В , 50 Гц.



Аннотация

Стовбур Д.В. Усилитель низкой частоты. Пояснительная записка к курсовой работе по курсу «Электронные устройства систем управления».- Челябинск ЮУрГУ, 2014

Пояснительная записка к курсовой работе, в которой рассматривается расчёт и компьютерное моделирование электронного усилителя низкой частоты. Состоит из трех разделов. Пояснительная записка к курсовой работе оформлена с помощью текстового процессора Microsoft Office Word 2007 и редактора диаграмм и блок-схем Microsoft Office Visio 2007. Моделирование проводилось с помощью программы схемотехнического моделирования MULTISIM 10.



Содержание

1. Обоснование и выбор функциональной схемы устройства

2. Выбор и расчёт принципиальных схем узлов устройства

2.1 Предварительный расчет

2.2 Предварительный усилитель и усилитель мощности с общей обратной связью

2.2.1 Расчёт усилителя мощности

2.2.2 Расчёт предварительного усилителя

2.3 Регулятор уровня

2.4 Входной усилитель

2.5 Источник питания

2.5.1 Расчёт стабилизатора напряжения

2.5.2 Расчёт сглаживающего фильтра

2.5.6 Расчёт трансформатора

2.5.5 Расчёт диодной схемы выпрямления

2.6 Выбор предохранителя

3. Моделирование на ЭВМ работы функциональных узлов устройства

Заключение

Литература

1. Обоснование и выбор функциональной схемы устройства

Усилитель низкой частоты состоит из выходного каскада - усилителя мощности (УМ), предварительного усилителя (ПУ), охваченных цепью общей отрицательной обратной связи (ЦООС), входного усилителя (ВУ), регулятора уровня выходного сигнала (РУ).

Качественные показатели выходного сигнала обеспечиваются с по-мощью глубокой отрицательной обратной связи в двух каскадах (УМ и ПУ). Входной усилитель обеспечивает лишь нужную величину входного сопротивления и коррекцию искажений частотной характеристики из-за влияния емкости С_г. Разделительные конденсаторы C_P1, C_P2 и т.д. необходимы для уменьшения дрейфа нулевого уровня выходного напря-жения УМ. Включение этих конденсаторов в состав схемы УНЧ приводит к появлению искажений частотной характеристики УНЧ в области нижних частот. Величины емкостей этих конденсаторов рассчитываются, исходя из величины допустимых частотных искажений в области низких частот.

Рис. 1 Функциональная схема УНЧ



2. Выбор и расчёт принципиальных схем узлов устройства

2.1 Предварительный расчет

Напряжение на входе усилителя:

;

Максимальное напряжение нагрузки:

В

Коэффициент усиления по напряжению всего усилителя:

Максимальный ток нагрузки:

;

Действующее значение тока нагрузки:

Максимальная мощность нагрузки:



;

2.2 Предварительный усилитель и усилитель мощности с общей обратной связью

усилитель мощность напряжение диодный

Исходя их функциональной схемы и предварительного расчёта в качестве выходного каскада усиления мощности выбираем двухтактный бестрансформаторный двухкаскадный усилитель с комплиментарными парами транзисторов, включённых по схеме с общим эмиттером, работающего в режиме АВ, с питанием от двух источников постоянного напряжения разной полярности.

В качестве предварительного усилителя используем операционный усилитель.

2.2.1 Расчёт усилителя мощности

Выбор напряжения питания:

Рассчитывается как сумма максимального напряжения нагрузки и остаточного напряжения:

,

где примерно равно 2…3 В;

Для начала примем В.



Рис.2 Схема предварительного усилителя и усилителя мощности

Выбор транзисторов VT3 и VT4:

Выбор делаем по максимально допустимому напряжению между коллектором и эмиттером U_КЭ, максимально допустимому току коллектора I_{к max}, максимальной рассеиваемой в транзисторах мощности P_{к мах} и максимальной частоте f_max:

U_КЭ ? 2= В;

I_{к max}=I_н +I_R12 ;

I_R18? (0,1…0,2)I_н ? 3,6(0,1…0,2)? 0,72А;

I_{к max}? 3,6 + 0,72 ? 4,3 А;



Вт;

Верхняя граничная частота усилителя 10000 Гц, тогда верхняя частота для транзисторов 100000·(2…4) Гц, примем f_max = 400000.

В соответствии с полученными параметрами выбираем транзисторы КT853A (p-n-p )иКT829A (n-p-n).

Таблица 1-Параметры транзисторов VT3 и VT4.

Uколл.эмитт.	120В
P max.рассеив.	60В
Статический коэфф. Передачи тока	750
Ik.max	8А
Ik.обратн.	1,5*10^-3А
f граничная	4МГц
Uб.э.(Пост.напряжение база-эмиттер)	5 В
Тип корпуса	КТ-28
напряжение насыщения коллектор-эмиттер	3В

Уточним напряжение питания:

В

Окончательно оставляем .

В качестве теплоотвода используем ребристый радиатор из чернёного алюминия конвекционного охлаждения. С учётом Вт его общая площадь поверхности должна составлять 400 см².

Выбор резисторовR₁₈ и R₁₉: Коэффициент усиления по напряжению



;

=Примем выходное напряжение ВУ = 2 В

Тогда

должно быть ? 10 В; Примем = 10 В

;;

Если I_ос = 0,1 A то:

Ом;

Ом; это значения из стандартного ряда Е24

Мощности резисторов R₁₈ и R₁₉:

P_R19= I₁₉²· R₁₉=0,1²·100 = 1 Вт

P_R18 = I₁₈²·R₁₈ =0,1²·200 = 2 Вт

Выбираем мощные резисторы С5-35В,R₁₉ - номиналом 100 Ом, мощностью 1Вт R₁₈ - номиналом 200 Ом, мощностью 2 Вт

Выбор транзисторов VT1 и VT2:

Выбор делаем из следующих соображений:



I_БVT3,4? I_КVT1,2

U_КЭVT1,2? Е_ПИТ + U_{ВЫХ ПУ}? 39 + 10 ? 39 В

Так как статический коэффициент зависит от тока эмиттера определим его по характеристике :

В нашем случае в_VT3,4 ? 750

I_БVT3,4= 0,006A;

Выбираем комплементарную пару транзисторов VT1 КТ3102Ви VT2 КТ3107В Их параметры:

Тип:

КТ 3102В…………………………………………………… n-p-n

КТ 3107В…………………………………………………… p-n-p

Максимально допустимое напряжение коллектор-база: ……………30 В

Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер: ……….30 В

Максимально допустимый ток коллектора:

постоянный: ………………………………………………100 мА

импульсный: …………………………………..………….. 200 мА

Постоянный ток базы: …………………………………………………2 А

Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора:

без теплоотвода: ………………………………………….1 Вт

с теплоотводом: …………………………………………..10 Вт

Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме

с общим эмиттером: …………………………………………..не менее 40

Обратный ток коллектора: …………………………. 50 мкА

Выбор резисторов R₁₆ и R₁₇:

РезисторыR₁₆,R₁₇включенныепараллельнобазо-эмиттернымпереходам мощных транзисторов, служат для улучшения характеристики усилителя в области высоких частот, а также повышения надежности работы транзисторов выходного каскада.

Их значение определим по формуле:

где = 0,6 В

I_БVT3,4=I_Браб = 0,006A

По входной характеристике определим ? 0,85 В

Значения из стандартного ряда Е24: R₁₆= R₁₇= 270 Ом

Выбираем резисторы МЛТ 0,5 Вт

Выбор резисторов R₁₄ и R₁₅:

С целью уменьшения нелинейных переходных искажений в таких каскадах для получения режима АВ во входных цепях включается делитель из резисторов R₁₄, R₁₅ и диодов VD3,VD4. Диоды имеют температурную зависимость, аналогичную база- эмитторным переходам транзисторов. ПосколькуспомощьюрезисторовR₁₄, R₁₅диодыпереводятсяврежимпроводимости, тонапряжениенабазеVT1 превышает входное напряжения на величину падения на диоде VD3. Напряжение набазеVT2 меньше, чем входное напряжение, на величину падения напряжения надиодеVD2.



Так как статический коэффициент зависит от тока эмиттера определим его по характеристике :

В нашем случае в_VT1,2 ? 50

Значения из стандартного ряда Е48: R₁₄= R₁₅= 10000 Ом

Используем два диода.

Мощности резисторов R₁₄ и R₁₅:

P_R14,15= ²·R₁₄= 0,0032²·10000 = 0,1 Вт

Выбираем резисторы МЛТ мощностью 0,125 Вт;

Выбор диодов VD3, VD4:

прямой ток через диод:

где U_{Д ПР} = 0,5 В

Выбираем в качестве диодов VD3, VD4 универсальный диод Д219А

Его параметры:

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение 70 В

Максимально допустимый постоянный прямой ток 50 мА

Постоянное прямое напряжение (I_пр=50 мА, Т=25°С ) 1 В

2.2.2 Расчёт предварительного усилителя

Предварительный усилитель выполнен на операционном усилителе DA2, при его выборе нужно учесть следующие факторы:

1) Согласно заданию необходимо обеспечить величину коэффициента нелинейных искажений k_f= 0,3%

2) На верхней частоте ОУ должен обеспечивать расчетный коэффициент усиления

Выбор резисторов общей отрицательной обратной связи

Предварительный усилитель и усилитель мощности охвачены двух петлевой цепью отрицательной обратной связи на резисторах R₇R₉и R₈R₁₀, она обеспечивает необходимый коэффициент усиления и качественные показатели.

Сопротивление резисторов R₈R₁₀ должно быть порядка десятков кОм, сопротивление резисторов R₇R₉ должно быть значительно меньше

;

Пусть R₈= 10 кОм, R₁₀= 22 кОм, а R₇ = 200 Ом, R₉= 600 Ом( Значения из стандартного ряда Е24 )

тогда



Выбираем резисторы МЛТ мощностью 0,125 Вт

Значения из стандартного ряда Е24 :R₁₁= 7500 Ом

Мощность резистора R₁₁:

P_R11= I₁₁²·R₁₁= (0.40·10^-3)²·10³ =0.16 мВт

Выбираем резистор МЛТ мощностью 0,125 Вт

Выбор операционного усилителя

Коэффициент нелинейных искажений рассчитывается:

где

K_f - коэффициент нелинейных искажений без ОС(K_f = 5%)

K_U- коэффициент усиления всего предварительного усилителя и усилителя мощности (K_U = K_ОУ ·K_УМ) без ОС



Выбираем в качестве DA2 операционный усилитель К544УД1

Его основные параметры:

Номинальное напряжение питания……………………….±15 В±10%

Выходное напряжение ……………………………………………|±12| В

Коэффициент усиления напряжения……………………………..200000

Входные дифференциальные и синфазные напряжения ………..|±10| В

Входное сопротивление………………………………………1,5·10¹¹ Ом

Сопротивление нагрузки…………………………………………...2 кОм

Ток потребления ……………………………………………………2,5 мА

Максимальная рассеиваемая мощность………………………...200 мВт

Выбор стабилитронов VD1и VD2

Напряжение питания нагрузки превышает напряжение питания операционного усилителя, поэтому для питания предварительного усилителя используем параметрические стабилизаторы со стабилитронами VD1и VD2. Учтём, что входной усилитель DA1 также будет питаться от этих параметрических стабилизаторов. Напряжение питания операционных усилителей должно быть равно напряжению стабилизации стабилитрона, а максимальный ток стабилизации больше, чем сумма номинального тока стабилизации и токов потребления операционных усилителей.

Выбираем в качестве VD1и VD2 стабилитрон КС508Б.

Его параметры:

Номинальное напряжение стабилизации …………………………...15 В

Минимальное напряжение стабилизации ……………..13,8 В

Максимальное напряжение стабилизации ……………15,6 В

Ток стабилизации стабилитрона………………………...8,5 мА

Минимально допустимый ток стабилизации стабилитрона …..0,25 мА

Максимально допустимый ток стабилизации стабилитрона…….18 мА

Дифференциальное сопротивление стабилитрона ………….16 (8,5) Ом

Прямая рассеивая мощность ……………………………………….0,5 Вт

Выбор резисторов R₁₂ и R₁₃:

Значения из стандартного ряда Е24: R₁₂= R₁₃= 2400 Ом

Мощности резисторов R₁₂ и R₁₃:

P_R12,13= I_12,13²·R₁₂= 0,0104²·2400 = 0,25 Вт

Выбираем резисторы МЛТ мощностью 0,25 Вт



2.3 Регулятор уровня

Регулятор уровня необходим, чтобы обеспечить заданный в техническом задании диапазон регулирования выходной величины, равный -100% от максимального значения.

Рис.3 Схема регулятора уровня

Выбор резисторов R₅ и R₆

Суммарное сопротивление регулятора должно быть:

R_{Н min ВУ} ?R_У?R_{ВХ ПУ} ,

где R_{Н min ВУ} =2 кОм, R_{ВХ ПУ} =R₁₁= 7,5 кОм

Допустим R_У в диапазоне 5-10 кОм, если диапазон регулирования равен -100% то

Выберем резистор МЛТ мощностью 0,125 Вт номиналомR₆ = 3,6 кОм

В качестве R₅ выберем регулировочный резистор ПП3-43

Выбор разделительного конденсатора Заданный коэффициент частотных искажений усилителя М = ±3дБ ? 1,41

Так как разделительных конденсатора в усилителе два, то



МС2= 1,19

Где f_min =20Гц - нижняя граница частотного диапазона усилителя.

Выбираем в качестве С₂конденсатор К10-47Мв 100В, 750 нФ

2.4 Входной усилитель

Входной усилитель должен обеспечивать указанную в задании величину входного сопротивления и необходимое усиление входного сигнала по напряжению.

Выбор резисторов обратной связи

R₂ ?R_ВХ = 0,1 МОм

Выберем значение из стандартного ряда Е24:R₂ =100 кОм



Рис.4 Схема входного усилителя

Пусть R₁=30 кОм - значение из стандартного ряда Е24

R₄=120 кОм - значение из стандартного ряда Е24

Значение из стандартного ряда E24: R₃ = 76 кОм

Выбираем резисторы МЛТ мощностью 0,125 Вт

Выбираем в качестве DA1 операционный усилитель К544УД1

Выбор разделительного конденсатора



Где R_Г = 0,01 Мом

Выбираем значение из стандартного ряда E24С₁= 12нФ.

2.5 Источник питания

Источник питания состоит из трансформатора, вентильного комплекта (мостовая диодная схема), сглаживающего фильтра и стабилизатора напряжения.

Рис.5 Структурная схема источника питания

Трансформатор необходим для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя и гальванической развязки цепи выпрямленного тока с питающей сетью. Вентильный комплект необходим для выпрямления переменного напряжения, сглаживающий фильтр - для ослабления пульсаций, а стабилизатор для снижения нестабильности напряжения на нагрузке. Максимальный ток потребления усилителя:



I_{М ПОТР} =I_{ПОТР УМ}+I_{ПОТР ПУ} +I_{ПОТР ВУ}

I_{М ПОТР MAX}?I_{ПОТР УМ} · 1,1? 4.95 А

2.5.1 Расчёт стабилизатора напряжения

Напряжение на выходе стабилизатора равно напряжению питания:

U_{ВЫХ СТ} =E_ПИТ = 34В

Так как рекомендованные для двухполярного питания микросхемы LM317 (для положительного напряжения) и LM337 (для отрицательного напряжения) мы не можем использовать напрямую (их выходной ток 1,5 А, а у нас ток потребления 4.95 А), то для повышения максимального выходного тока этих стабилизаторов подключим дополнительные мощные транзисторыVT5КТ 818В и VT6КТ 819Вс радиатором (таким же как и в усилителе мощности):

Рис.6 Схема стабилизатора напряжения



Выбор резисторов R₂₀ и R₂₁: По мере приближения тока стабилизатораLM317(LM337) к его максимальному выходному току, должно происходить открывание транзистора за счёт падения напряжения на резисторе R₂₀(R₂₁), оно должно быть примерно 0,6 В

Выбираем R₂₀ и R₂₁равными 1 Ом

Выбираем резисторы МЛТ мощностью 2 Вт

Входное напряжение стабилизатора:

U _{ВХ СТ} =U_{ВЫХ СТ} +U _{ОСТ СТ} +U_R20,21=33+3+0,6=36,6 В

Выбор резисторов R₂₂,R₂₃,R₂₄,R₂₅

R₂₂ =R₂₅=240 Ом - стандартное значение для схемы с LM317(LM337)

Сопротивления R₂₃ и R₂₄ должны быть по 6000 Ом

Выбираем подстроечный резистор СП3-19А 0.5 6,8К

Выбор конденсаторов С₅ и С₆

Выбираем оксидно-электролитические конденсаторы К50-35 номинальной ёмкостью 1мкФ -стандартное значение для схемы сLM317(LM337)

2.5.2 Расчёт сглаживающего фильтра

С₃ = С₄? ,

где ДU _ПУЛЬС = 2…3 В

Выбираем оксидные конденсаторы К50-18 50 В ёмкостью 10000 мкФ

Тогда ДU _ПУЛЬС = 2,53 В



2.5.6 Расчёт трансформатора

Максимальное номинальное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора:

U _{2М НОМ} =U _{ВХ СТ} +ДU _ПУЛЬС + 2U _{Д ПР} = 36,6 + 2,53 + 2 = 41,1 В

Действующее значение напряжения вторичной обмотки:

U ₂=

Так как возможно изменение напряжения в сторону увеличения на 10% , то

U _{2 М} =

Выбираем трансформатор ОСМ1-0,4 220/29/29 трёхобмоточный, номинальной мощностью 0,4 кВА, частотного диапазона 10-60 Гц, КПД 93,5 %, с первичной обмоткой 220 В и двумя вторичными обмотками 32 В, предназначенный для питания цепей управления местного освещения, сигнализации и автоматики.

Габаритные, установочные размеры, масса трансформатора и принципиальная схема соединения:



В 135	L 106	H 104	A 80	A1 90	d 7	Масса кг 5.5

Рис.7ТрансформаторОСМ1-0,4

2.5.3 Расчёт диодной схемы выпрямления

Выбираем диодную мостовую схему выпрямления с четырьмя диодамиVD5-VD8 Обратное максимальное напряжение на диоде равно:

U _{ОБР МАКС} =2U_2м=·U₂=·32 = 89,6 В

I_ДМАХ= 1,5I_{М ПОТР} = 7.4 А

Выбираем в качестве диодов VD5 - VD8выпрямительный диод 2Д239Б

Его основные параметры:

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение……150 В

Максимально допустимый средний прямой ток через диод………15А

Максимально допустимый постоянный прямой ток через диод.20 А

Максимально допустимый импульсный прямой ток через диод…80 А

Максимальное падение напряжения на диоде при заданном прямом токе (20А) через него………………...1,4 В



2.6 Выбор предохранителя

Ток первичной обмотки трансформатора:

Ток предохранителя I _ПР = 5…10I ₁= 5.4…10.8 А

Выбираем в качестве предохранителей плавкую вставку ВП 3Б-1В на 8А/250В



Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы был рассчитан и смоделирован низкочастотный усилитель с заданными характеристиками. Результаты полученные при расчёте в основном совпадают результатами моделирования в программе MULTISIM 10.

Данная курсовая работа - практическое применение знаний полученных при изучении дисциплины «Электронные устройства систем управления».



Литература

1. Гудилин А. Е., О. Н. Казьмин О. Н. Руководство к курсовому проектированию по электронным устройствам автоматики. - Челябинск: ЧПИ, 1985. -82с.

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа,1982.

3.Константинов В.И.Электроника. Часть 1: Полупроводниковые приборы: Конспект лекций / В.И. Константинов, О.В. Константинова, Е.В. Вставская. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. - 79 с.

4. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. -- М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005. -- 528

Размещено на Allbest.ru