Курсовий проект на тему: «Обґрунтування й вибір функціональної схеми пристрою»
Анотація
У курсовому проекті розглядається побудова електронного пристрою.
Проект реалізований у програмному середовищі Word 2003, моделювання схеми зроблене в середовищі Electronics Workbench
Зміст
Введення
Обґрунтування й вибір функціональної схеми пристрою
Вибір і розрахунок принципових схем вузлів пристрою
Моделювання на ЕОМ роботи функціональних вузлів пристрою
Висновок і виводи по відповідності характеристик і параметрів пристрою вимогам технічного завдання
Список літератури
Введення
Генератори гармонійних коливань являють собою пристрої, призначені для перетворення енергії джерел живлення постійного струму в енергію гармонійного 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 зворотного зв'язку, які працюють у режимі самозбудження на фіксованій частоті. Як ланцюги зворотного зв'язку можуть використовуватися резонансні L-C або R- Схеми чому відповідає два типи генераторів.
L-C генератори звичайно використовуються для формування радіочастотних сигналів, де габаритні характеристики елементів коливальних контурів у звуковому діапазоні частот стають неприйнятними. У звуковому діапазоні генератори будуються на базі використання резонансних R-C схем, і як підсилювачі звичайно застосовуються ОУ.
1. Обґрунтування й вибір функціональної схеми пристрою
Генератор синусоїдальної напруги складається з генератора, що задає, і підсилювача потужності
/>/>/>/>/>
/>
/>/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/>
/>/>/>
/>/>/>/>
/>/>/>
/>/>/>
Мал. 1 Функціональна схема генератора синусоїдальної напруги (ГСН)
ланцюг, що комутирується (К.Ч.З.Ц.);
підсилювач (П.);
ланцюг позитивного зворотного зв'язку (П.З.З.);
стабілізатор амплітуди (С.А.);
регулятор рівня вихідної напруги (Р.Р.);
попередній підсилювач (П.П.);
підсилювач потужності (П.П.);
ланцюг негативного зворотного зв'язку (Н.З.З.);
джерело живлення (Д.Ж.).
Від генератора, що задає, подається напруга синусоїдальної форми, стабільної амплітуди й частоти на вхід підсилювача. Звичайно під час роботи амплітуда вихідної напруги генератора, що задає, не міняється й для установки потрібної величини напруги на навантаженні в схему включений регулятор амплітуди. Перебудова частоти генератора, що задає, виробляється в межах якого-небудь діапазону плавно, а зміна діапазонів виробляється дискретно.
Звичайно плавна перебудова частоти виробляється в межах декади, тобто
/>
де Кп — Коефіцієнт перебудови, />/>— максимальна частота в діапазоні,/>— мінімальна частота в діапазоні.
З огляду на розкид параметрів ланцюгів, для гарантованого одержання будь-якої частоти, з передбачених технічним завданням, уводять коефіцієнт запасу, тоді
/>
/>Величинавихідної напруги генератора, що задає, у технічному завданні не обмовляється й може вибиратися кожної в розумних межах. Без утруднень можна одержати амплітудне значення цієї напруги в межах 3...10 В.
Тоді при зазначеній на мал. 1 структурі підсилювача потужності глибина зворотного зв'язку велика, а виходить, він має гарні якісні показники 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 діапазону сигналу на практиці найбільш підходящим є генератор з мостом Вина
/>
/>
/>
Одержали 4 декади з урахуванням коефіцієнта запасу:
20Гц-200Гц
200Гц-2000ГЦ
2000Гц-20000Гц
20000Гц-200000Гц
З урахуванням коефіцієнта запасу:
1) 18Гц-220Гц
2) 180Гц-2200Гц
3) 1800Гц-22000Гц
18000Гц-220000Гц
При використанні моста Вина як частотний ланцюг генератора для виконання умов самозбудження необхідно:1 щоб міст Вина включався в ланцюг позитивного зворотного зв'язку.
2 щоб коефіцієнт передачі підсилювача на частоті резонансу моста Вина був не
Для керування частотою вихідної напруги як резистори можуть використовуватися здвоєні потенціометри. З огляду на, що динамічний діапазон регулювання рідко >20 дБ для його розширення крім змінних резисторів можуть використовуватися набори конденсаторів з декадним номіналом, може бути здійснене 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 можуть використовуватися польові транзистори, що працюють на початкових ділянках вихідних характеристик.
Вибираємо польовий транзистор з n-каналом, так щоб Rк.>1кОм при Uзи=-1У.
Як такий транзистор беремо КП323А-2, у якого Rк=5У/2,5mA=2кОМ при 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 іншої сторони опір регулятора рівня повинне бути на порядок менше, ніж вхідний опір підсилювача потужності, менше ніж 50кОм. Рівень регулювання сигналу становить 50%, те номінали опорів будуть однакові.
Uвих=Uвх*R2/(R1+R2)
Uвих/Uвх=1/2
R1=R2=2кому
Розрахунок підсилювача потужності
Підсилювач потужності складається з попереднього підсилювача, каскаду й ланцюга загального зворотного зв'язку.
Попередній підсилювач виконуємо на операційному підсилювачі.
Коефіцієнт підсилення підсилювача потужності визначається як Ки=Uвих/Uвх=20/3=6, Uвх приймаємо 3У.--PAGE_BREAK--
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 частотній характеристиці при наявності зворотного зв'язку й швидкості наростання вихідної напруги 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 негативним зворотним зв'язком
К=/>,
де Кf=10%, коефіцієнт нелінійних перекручувань без зворотного зв'язку, /> — коефіцієнт нелінійних перекручувань із обліком негативного зворотного зв'язку. К=(10/0,2-1)/0,166=295, тоді коефіцієнт 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 в додатку.
Для живлення ОУ встановлюємо стабілізатори на стабілітронах КС515 з
Uст=15У при струмі стабілізації Iст=5мА, у цьому випадку спадання 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 трансформаторній схемі. Критерієм для ухвалення рішення може служити співвідношення між залишковою напругою на транзисторі при максимальному струмі навантаження й амплітудою напруги на навантаженні.
Варто віддавати перевагу трансформаторному каскаду.
Вибір транзисторів для вихідного каскаду підсилювача потужності роблять по потужності, що розсіюється в ньому, граничній частоті посилення й допустимих напружень і струмам.
Для вихідного каскаду підсилювача, що працює із двома джерелами живлення, напруга кожного джерела вибирається з умови
Ек=Uвих.макс+Uост
Ек=20+2=22У
Найбільша напруга на транзисторі в такому каскаді приблизно дорівнює подвоєній напрузі живлення:Uкеюмакс=2*22=44У
Найбільша потужність, виділювана в кожному транзисторі вихідного каскаду для синусоїдального сигналу дорівнює />
Визначаємо Rн
/>Ом. Тоді Рк.макс=/> =7,85Вт
Вибір транзисторів по струму
/>А
Частотні властивості вихідних транзисторів повинні відповідати необхідній смузі пропущення всього підсилювача. Гранична частота підсилювача
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 по формулі
/>=123,045 кв
Де Кт коефіцієнт тепловіддачі, що залежить від матеріалу, конструкції й способу обробки тепловідводу.
Для чорненого ребристого алюмінієвого тепловідводу звичайно приймають Кт=0,8*10^-3Вт/З*кв. tп — температура переходу, звичайно неї приймають на 5...10 градусів нижче гранично припустимої
tc-температура середовища, максимальна температура за завданням
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 вхідних характеристиках транзисторів.Uбе=1,7У
Номінальні значення резисторів базових ланцюгів вихідних транзисторів визначаємо по формулі:
/> =752 Ом,
де Uбе.откр=1У
Потужність, що розсіюється на резисторі
Р=/> =3,61мВт
Транзистори для каскаду підсилювача потужності повинні мати наступні 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 КТ 3102-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 порядок більше 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 спокою колектора 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 по вхідних 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 визначаємо напруга 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, і повинне становити порядку 10 кОм. Беремо R1=47 кОм, тому що цей опір рекомендований 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 продолжение
--PAGE_BREAK--
R2=8294Ом
Напруга на вході, що інвертує, дорівнює напрузі на що не інвертує й дорівнює 3У
Р=U^2/R=0.001Вт
Конденсатор З1 вибираємо з умови, що C1 і R1 високочастотний фільтр першого порядку, />=R1*C1>1/2*/> *fн
З1=0,17мкФ
/> 2=C2*R2>1/2*/> *fн
З2=6мкФ
4. Висновок і виводи по відповідності характеристик і параметрів пристрою вимогам технічного завдання
Розрахунок джерела живлення
/>
Напруга на виході випрямляча Uвих.випрям=Uост+Uвих.макс. Вибираємо Uост=2У, тоді Uвих.випрям.=22+2=24У
Напруга пульсацій на конденсаторі фільтра береться в межах 10% від робочої напруги, і дорівнює />
Тоді З=/> =2560мкФ
З урахуванням напруги пульсацій />Uвих.випр=24+4=28У
Ми одержали напругу на виході випрямляча при найнижчій напрузі в мережі (-15%), тоді на рівні 220У ми будемо мати напругу
28/0,85=33У
а при максимальній напрузі мережі (при +10%)
33*1.1=36.3В
Робоча напруга ми вибрали правильно.
Сформуємо вимоги до трансформатора:
/>
/>
Вибираємо трансформатор ТПП259 з габаритною потужністю Р=31Вт
Вибираємо діоди для мостового випрямляча по наступних параметрах
/>
/>
Даним параметрам задовольняємо діод Д202 з параметрами
/>
Проведемо розрахунок стабілізатора напруги
Як транзистор VT1 беремо потужний транзистор, що повинен мати параметри:
/>
Вибираємо ті ж транзистори що й для підсилювача потужності, КТ853, КТ829.
Транзистори для диференціального каскаду стабілізатора повинні мати наступні параметри:
/>
Беремо транзистори КТ3102, КТ3107, які мають наступні характеристики
/>
Як елемент, що задає опорну напругу стабілізатора, вибираємо стабілітрон КС191Ж с напругою стабілізації
/>
Розрахуємо значення резисторів, що входять у каскад.
/>
/>
Розрахуємо значення резисторів дільника напруги. Струм дільника на порядок вище чим струм бази транзистора VT3
/>
Резистор R4 дозволяє підбудувати номінал напруги, тобто з 220кОм 10% піде на підстроювання, таким чином R4=22кОм
R5+R3=198кОм
R3/R5=1/2
R3=66кОм
R5=132кОм
Усі розрахунки виконані за умовами завдання.
Список літератури
1. Гудилін О.Є. Керівництво до курсового проектування по електронних пристроях автоматики. Методичні вказівки. – К., 2004
2. Гендин Г.С. Усе про резистори. – К., 2000
3. Перельман Б.Л. Напівпровідникові прилади. – К., 2006