Курсовийпроект на тему: «Обґрунтування й вибір функціональної схеми пристрою»
Анотація
У курсовому проектірозглядається побудова електронного пристрою.
Проект реалізований упрограмному середовищі Word 2003, моделювання схеми зроблене в середовищіElectronics Workbench
Зміст
Введення
1. Обґрунтування й вибір функціональноїсхеми пристрою
2. Вибір і розрахунок принципових схемвузлів пристрою
3. Моделювання на ЕОМ роботифункціональних вузлів пристрою
4. Висновок і виводи по відповідностіхарактеристик і параметрів пристрою вимогам технічного завдання
Список літератури
Введення
Генератори гармонійних коливань являють собою пристрої,призначені для перетворення енергії джерел живлення постійного струму в енергіюгармонійного вихідного сигналу напруги (струму) необхідної амплітуди й частоти.
Тому що генератор сам є джерелом сигналу, він не має входу.Генератори будуються на основі підсилювачів з ланцюгами позитивного зворотногозв'язку, які працюють у режимі самозбудження на фіксованій частоті. Як ланцюгизворотного зв'язку можуть використовуватися резонансні L-C або R- Схеми чомувідповідає два типи генераторів.
L-C генератори звичайно використовуються для формуваннярадіочастотних сигналів, де габаритні характеристики елементів коливальнихконтурів у звуковому діапазоні частот стають неприйнятними. У звуковомудіапазоні генератори будуються на базі використання резонансних R-C схем, і якпідсилювачі звичайно застосовуються ОУ.
1. Обґрунтування й вибір функціональної схеми пристрою
Генератор синусоїдальної напруги складається з генератора,що задає, і підсилювача потужності
/>
/>/>/>/>/>/> КЧЗЦ
РР
ПП
ПП
П
/>/>/>/>/>/>/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Uвих /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>
Мал. 1Функціональна схема генератора синусоїдальної напруги (ГСН)
1) ланцюг, що комутирується (К.Ч.З.Ц.);
2) підсилювач (П.);
3) ланцюг позитивного зворотного зв'язку (П.З.З.);
4) стабілізатор амплітуди (С.А.);
5) регулятор рівня вихідної напруги (Р.Р.);
6) попередній підсилювач (П.П.);
7) підсилювач потужності (П.П.);
8) ланцюг негативного зворотного зв'язку (Н.З.З.);
9) джерело живлення (Д.Ж.).
Від генератора, що задає, подається напруга синусоїдальноїформи, стабільної амплітуди й частоти на вхід підсилювача. Звичайно під час роботиамплітуда вихідної напруги генератора, що задає, не міняється й для установкипотрібної величини напруги на навантаженні в схему включений регуляторамплітуди. Перебудова частоти генератора, що задає, виробляється в межахякого-небудь діапазону плавно, а зміна діапазонів виробляється дискретно.
Звичайно плавна перебудова частоти виробляється в межахдекади, тобто
/>
де Кп — Коефіцієнт перебудови, />/> — максимальна частота вдіапазоні,/> - мінімальна частота вдіапазоні.
З огляду на розкид параметрів ланцюгів, для гарантованогоодержання будь-якої частоти, з передбачених технічним завданням, уводятькоефіцієнт запасу, тоді
/>
Величина вихідної напруги генератора, щозадає, у технічному завданні не обмовляється й може вибиратися кожної врозумних межах. Без утруднень можна одержати амплітудне значення цієї напруги вмежах 3...10 В.
Тоді при зазначеній на мал. 1 структурі підсилювачапотужності глибина зворотного зв'язку велика, а виходить, він має гарні якісніпоказники у всім частотному діапазоні (малі нелінійні перекручування,стабільний коефіцієнт підсилення, низький вихідний опір і т.д.).
2. Вибір і розрахунок принципових схем вузлів пристрою
Розрахунок генератора, що задає.
По стабільності частоти й ширині частотного діапазонусигналу на практиці найбільш підходящим є генератор з мостом Вина
/>
/>
/>
Одержали 4 декади з урахуванням коефіцієнта запасу:
1) 20Гц-200Гц
2) 200Гц-2000ГЦ
3) 2000Гц-20000Гц
4) 20000Гц-200000Гц
З урахуванням коефіцієнта запасу:
1) 18Гц-220Гц
2) 180Гц-2200Гц
3) 1800Гц-22000Гц
5) 18000Гц-220000Гц
При використанні моста Вина як частотний ланцюг генераторадля виконання умов самозбудження необхідно:1 щоб міст Вина включався в ланцюгпозитивного зворотного зв'язку.
2 щоб коефіцієнт передачі підсилювача на частоті резонансумоста Вина був не
Для керування частотою вихідної напруги як резистори можутьвикористовуватися здвоєні потенціометри. З огляду на, що динамічний діапазонрегулювання рідко >20 дБ для його розширення крім змінних резисторів можутьвикористовуватися набори конденсаторів з декадним номіналом, може бутиздійснене широко полюсне регулювання.
Резонансна частота моста Провина
/>
Задамося
З=1000пФ тоді R=1/(2*3.14*200000*0.1*1000*10^-12)=7957 Ом
Тоді 0,1R=795.7 Ом, 0,9R=7161.9 Ом
У ланцюзі негативного зворотного зв'язку можутьвикористовуватися польові транзистори, що працюють на початкових ділянкахвихідних характеристик.
Вибираємо польовий транзистор з n-каналом, так щоб Rк.>1кОмпри Uзи=-1У.
Як такий транзистор беремо КП323А-2, у якого Rк=5У/2,5mA=2кОМпри Uзи=-1У
Кu=1/Кuоос=1/3. Отже, R2||Rк/(R2||Rк+R3)
Одержуємо R2=2 кому, R3=2кОм
Задамося. З=10мкФ, тоді R*=1Мом R4=1000кОм/100=10кОм
Вибираємо діод, що працює на Д101
У якості ОУ беремо 140УД23
Розрахунок регулятора рівня
Регулятор рівня вибираємо виходячи з наступних умов:регулятор є вихідним опором ОУ, повинне бути більше або дорівнює 2кОм, з іншоїсторони опір регулятора рівня повинне бути на порядок менше, ніж вхідний опірпідсилювача потужності, менше ніж 50кОм. Рівень регулювання сигналу становить50%, те номінали опорів будуть однакові.
Uвих=Uвх*R2/(R1+R2)
Uвих/Uвх=1/2
R1=R2=2кому
Розрахунок підсилювача потужності
Підсилювач потужності складається з попередньогопідсилювача, каскаду й ланцюга загального зворотного зв'язку.
Попередній підсилювач виконуємо на операційномупідсилювачі.
Коефіцієнт підсилення підсилювача потужності визначаєтьсяяк Ки=Uвих/Uвх=20/3=6, Uвх приймаємо 3У.
Коефіцієнт підсилення каскаду визначаємо як Киок=Uвих/10=2,де 10 ця вихідна напруга операційного підсилювача.
Одержуємо коефіцієнт підсилення ОУ без зворотного зв'язку Ки/Киок=6/2=3
Операційний підсилювач вибираємо по частотнійхарактеристиці при наявності зворотного зв'язку й швидкості наростання вихідноїнапруги в часі
Швидкість наростання вихідної напруги/> =2*3,14*200000*10=12,5У/мкс
Глибина зворотного зв'язку />Ки=0,166
Коефіцієнт підсилення підсилювача потужності з негативнимзворотним зв'язком
К=/>,
де Кf=10%, коефіцієнт нелінійних перекручувань беззворотного зв'язку, /> — коефіцієнтнелінійних перекручувань із обліком негативного зворотного зв'язку. К=(10/0,2-1)/0,166=295, тодікоефіцієнт підсилення операційного підсилювача з обліком ООС Коу=295/2=147,5
на частоті 200000 коефіцієнт підсилення ОУ Коу>43дБ
Частота зрізу f1>fm*Ки=1,2МГц
Даним вимогам відповідає 140УД23 з параметрами
Uп=15У, Rн=2кому, Uвих.макс=10У, вхідний струм Iвх=0,2на,частота одиничного посилення f1=10МГц, Vuвих.макс=30У/мкс.
Залежність коефіцієнта підсилення від частоти наведена вдодатку.
Для живлення ОУ встановлюємо стабілізатори на стабілітронахКС515 з
Uст=15У при струмі стабілізації Iст=5мА, у цьому випадкуспадання напруги на резисторах R буде визначатися як UR=22-15=7У
IR=Iоу+Iст=10+5=15мА
R=7/15=466.6Ом
P=U*I=7*15*10^-3=0.105Вт
3. Моделювання на ЕОМ роботи функціональних вузлів пристрою
Розрахунок каскаду
/>
Вихідний каскад може бути виконаний по трансформаторнійсхемі. Критерієм для ухвалення рішення може служити співвідношення міжзалишковою напругою на транзисторі при максимальному струмі навантаження йамплітудою напруги на навантаженні.
Варто віддавати перевагу трансформаторному каскаду.
Вибір транзисторів для вихідного каскаду підсилювачапотужності роблять по потужності, що розсіюється в ньому, граничній частотіпосилення й допустимих напружень і струмам.
Для вихідного каскаду підсилювача, що працює із двомаджерелами живлення, напруга кожного джерела вибирається з умови
Ек=Uвих.макс+Uост
Ек=20+2=22У
Найбільша напруга на транзисторі в такому каскаді приблизнодорівнює подвоєній напрузі живлення:Uкеюмакс=2*22=44У
Найбільша потужність, виділювана в кожному транзисторівихідного каскаду для синусоїдального сигналу дорівнює />
Визначаємо Rн
/>Ом.Тоді Рк.макс=/> =7,85Вт
Вибір транзисторів по струму
/>А
Частотні властивості вихідних транзисторів повиннівідповідати необхідній смузі пропущення всього підсилювача. Гранична частотапідсилювача
fгр.=2...4fмакс=4*200000=800кГц
Вибираємо пари комплементарних транзисторів КТ 853-КТ829,які мають параметри Uкем=45-100У, Iк=8А, Рк=60Вт, />
Уточнюємо Uост=1,5У, тоді,
/>
Отже, варто віддати перевагу каскаду.
По отриманій потужності розраховуємо площу радіатора поформулі
/>=123,045кв
Де Кт коефіцієнт тепловіддачі, що залежить від матеріалу,конструкції й способу обробки тепловідводу.
Для чорненого ребристого алюмінієвого тепловідводу звичайноприймають Кт=0,8*10^-3Вт/З*кв. tп — температура переходу, звичайно неїприймають на 5...10 градусів нижче гранично припустимої
tc-температура середовища, максимальна температура зазавданням
Rпп — Тепловий опір перехід-корпус
Rкк — Тепловий опір корпус — тепловідвід.
Вибираємо Iко=0,05Iк.макс=0,08А
Струм бази визначаємо в такий спосіб Iб.макс=Iк.макс//> =2мА
Напруга база- емитер максимальне визначає по вхідниххарактеристиках транзисторів.Uбе=1,7У
Номінальні значення резисторів базових ланцюгів вихіднихтранзисторів визначаємо по формулі:
/> =752Ом,
де Uбе.откр=1У
Потужність, що розсіюється на резисторі
Р=/> =3,61мВт
Транзистори для каскаду підсилювача потужності повинні матинаступні параметри:
Uке.макс=32У, Iк.VT1.макс=Iб.VT3.макс=Iк.VT3.макс//> =2мА, Рк.макс=Uке.макс*Iк.макс=0,064Вт
Цим вимогам відповідає пари комплементарних транзисторів КТ3102-КТ3107, що мають:Uке.макс=40У, Iк=100мА, Рк=150мВт, />
Резистори R8 і R9 визначають коефіцієнт підсилення, тому
R9/(R8+R9)=1/Киок=1/2
R9=R8
Струм через резистори R9 і R8 повинен бути на порядокбільше чим струм бази вихідного транзистора IR8,R9 >10Iб.ок
Uвих/(R8+R9)>10Iб.ок
Uвих/10Iб.ок>R8+R9
1кому>R8+R9
R8=R9=500 Ом
Ланцюг зсуву розраховуємо з умови спокою каскаду
Iко=0,08А
Iб.п.ок= Iко//> =100мА/750=130мкА,
(беремо струм спокою колектора приблизно рівним 100мА)
Струм бази спокою оконечного каскаду є струмом спокоюколектора предоконечних транзисторів, тобто Iк.VT1.п.=Iб.VT3+IR7
IR7=Uб.е.п.ок/R7=1.1/820=1.3мА
(напруга база-емитер спокою оконечного каскаду знаходимо повхідних характеристиках транзистора VT3)
Iк.VT1.п.=1,4мА
Iб.VT1.п= Iк.п.VT1//> =1.4*0.001/60=23мкА
По вхідній характеристиці транзистора VT1 визначаємонапруга база-емитер спокою, що рівне прямому спаданню напруги на діодах.
Uпр.=Uбе.п.=0,6У(при Iпр.>10Iб.п.VT1, Iпр.=0,23мА)
Підбираємо діод КД228, що має наступні характеристики:
Iпр.макс=7,5А
Uпр.макс=0,65У
Розрахуємо резистори R5 і R6
IR5=Iб.п.VT1+Iд.=0,25мА
UR5= Eк-Uб.е.п.VT1=22-0.6=21.4В
R5=21.4/0.25мА=85,6кОм
РR5=21.4*21.4/85600=0.00535Вт
Опір R1 визначає вхідний опір підсилювача потужності, іповинне становити порядку 10 кОм. Беремо R1=47 кОм, тому що цей опіррекомендований для більшості підсилювальних пристроїв.
R3=47кОм (для того щоб не було розбалансу)
РR1=Uвх 2/Rн=0,1914мВт
PR3=6.148мВт/>
Опір R2 визначає коефіцієнт передачі РОЗУМ у цілому,
ми задалися />=1/Ки=0,15
R2/(R2+R3)=0.15
R2=8294Ом
Напруга на вході, що інвертує, дорівнює напрузі на що неінвертує й дорівнює 3У
Р=U^2/R=0.001Вт
Конденсатор З1 вибираємо з умови, що C1 і R1високочастотний фільтр першого порядку, />=R1*C1>1/2*/> *fн
З1=0,17мкФ
/> 2=C2*R2>1/2*/> *fн
З2=6мкФ
4. Висновок івиводи по відповідності характеристик і параметрів пристрою вимогам технічногозавдання
Розрахунок джерела живлення
/>
Напруга на виходівипрямляча Uвих.випрям=Uост+Uвих.макс. Вибираємо Uост=2У, тоді Uвих.випрям.=22+2=24У
Напруга пульсаційна конденсаторі фільтра береться в межах 10% від робочої напруги, і дорівнює />
Тоді З=/> =2560мкФ
З урахуваннямнапруги пульсацій />Uвих.випр=24+4=28У
Ми одержали напругу навиході випрямляча при найнижчій напрузі в мережі (-15%), тоді на рівні 220У мибудемо мати напругу
28/0,85=33У
а при максимальній напрузімережі (при +10%)
33*1.1=36.3В
Робоча напруга ми вибралиправильно.
Сформуємо вимоги дотрансформатора:
/>
/>
Вибираємо трансформаторТПП259 з габаритною потужністю Р=31Вт
Вибираємо діоди длямостового випрямляча по наступних параметрах
/>
/>
Даним параметрамзадовольняємо діод Д202 з параметрами
/>
Проведемо розрахунокстабілізатора напруги
Як транзистор VT1 беремопотужний транзистор, що повинен мати параметри:
/>
Вибираємо ті ж транзисторищо й для підсилювача потужності, КТ853, КТ829.
Транзистори длядиференціального каскаду стабілізатора повинні мати наступні параметри:
/>
Беремо транзисториКТ3102, КТ3107, які мають наступні характеристики
/>
Як елемент, що задає опорнунапругу стабілізатора, вибираємо стабілітрон КС191Ж с напругою стабілізації
/>
Розрахуємо значеннярезисторів, що входять у каскад.
/>
/>
Розрахуємо значеннярезисторів дільника напруги. Струм дільника на порядок вище чим струм базитранзистора VT3
/>
Резистор R4 дозволяєпідбудувати номінал напруги, тобто з 220кОм 10% піде на підстроювання, такимчином R4=22кОм
R5+R3=198кОм
R3/R5=1/2
R3=66кОм
R5=132кОм
Усі розрахунки виконані заумовами завдання.
Список літератури
1. Гудилін О.Є. Керівництво докурсового проектування по електронних пристроях автоматики. Методичні вказівки.– К., 2004
2. Гендин Г.С. Усе прорезистори. – К., 2000
3. Перельман Б.Л.Напівпровідникові прилади. – К., 2006