Курсовая работа №2344 Расчет и моделирование аналоговых электронных схем

Министерство образования
Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра Автоматики

Расчет и моделирование аналоговых электронных схем
Пояснительная записка к курсовому проекту
по курсу: «Электротехника и электроника»

 

3 Исходные данные к проекту К=200, ЕПИТ =12 В, RН =5кОм, f0 =1500 Гц

4 Содержание пояснительной записки Расчет и моделирование однокаскадного транзисторного усилителя, источника питания и активных фильтров

5 Перечень чертежей Схема электрическая транзисторного усилителя

формат А3. Схемы электрические активных фильтров формата А4, 3 листа.

6 Литература (первичный список)________________________

Опадчий Ю.Ф. и др. А.И. Аналоговая и цифровая электроника

Малахов В. П. Схемотехника аналоговых устройств

 

АННОТАЦИЯ

Расчет однокаскадного усилителя, расчет источника вторичного электропитания, расчет фильтров Баттерворта. – Миасс: ЮУрГУ, Автоматика 30 с. 11 илл. Библиография литературы:
10 наименований. 1 лист чертежей ф. А3, 3 листа чертежей ф. А4.

В данном курсовом проекте произведен расчет однокаскадного усилителя, источника вторичного электропитания к нему и расчет фильтров высокой, низкой частот и полосовой фильтр, в соответствии с заданием. Обоснован выбор элементов схемы. Подобраны реальные элементы, пользуясь справочной литературой. Промоделированы схемы с помощью пакета моделирования Multisim.

Внимание!

Это ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ ВЕРСИЯ работы №2344, цена оригинала 500 рублей. Оформлена в программе Microsoft Word.

Оплата. Контакты.

Введение

Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они являются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах.

Ламповая усилительная техника стала развиваться в результате появления в 1904г. вакуумного диода, изобретенного американским инженером Флемингом, и в особенности после изобретения Ли де Форестом в 1907г. вакуумного триода. Транзисторная усилительная техника получила возможность своего развития после изобретения в 1948г. американскими учеными Дж. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли трехэлектродного полупроводникового усилительного элемента – транзистора, ставшего быстро вытеснять электронную лампу из радиотехнических устройств. Сегодня производится широчайший ассортимент усилительного оборудования, совершенствуется техника и технология его изготовления.

Большая часть современных усилителей построена на полупроводниках, но и ламповые усилители до сих пор используются.

 

В данном курсовом проекте будут рассматриваться: источник вторичного питания, усилитель, активные фильтры.

 

1 Расчет транзисторного усилителя

1.1 Теоретическая часть

Деление усилителей на типы обычно осуществляют по назначению усилителя, характеру входного сигнала, полосе и абсолютному значению усиливаемых частот, виду используемых активных элементов.

1. По назначению усилители условно делятся на усилители напряжения, усилители тока, усилители мощности.

Если основное требование – усиление входного напряжения до необходимого уровня, то такой усилитель относят к усилителям напряжения. Если основное требование – усиление входного тока до нужного значения, то такой усилитель относят к усилителям тока. В усилителях напряжения и усилителях тока одновременно происходит усиление мощности сигнала. В отличие от них в усилителе мощности требуется обеспечить в нагрузке заданный или максимально возможный уровень мощности сигнала.

2. В зависимости от характера входного сигнала различают усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов. К первой группе относятся устройства для усиления непрерывных электрических сигналов, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее всех нестационарных процессов в цепях усилителя. Ко второй группе усилителей относятся устройства для усиления электрических импульсов различной формы и амплитуды с допустимыми искажениями их формы. В этих усилителях входной сигнал изменяется настолько быстро, что процесс установления колебаний является определяющим при нахождении формы выходного сигнала.

3. Полоса и абсолютные значения усиливаемых частот позволяют разделить усилители на типы.

Усилители переменного тока предназначены для усиления лишь переменных составляющих входного сигнала. В зависимости от граничных значений рабочего диапазона частот усилители переменного тока могут быть высокой и низкой частоты. Для усилителей низкой частоты справедливо неравенство fв-fн >> fн. В усилителях высокой частоты усиление сигнала осуществляется в диапазоне частот, определяемых неравенством fв-fн << fн. По ширине полосы усиливаемых частот выделяют:

избирательные усилители, усиливающие электрические сигналы в узкой полосе частот fв/fн < 1.1, за пределами этой полосы усиление резко падает;

широкополосные усилители, усиливающие электрические сигналы в очень широком диапазоне частот fв/fн >1000.

Усилители постоянного тока предназначены для усиления электрических колебаний в пределах от низшей частоты fн=0 до верхней рабочей частоты fв усилителя. Главным является то, что они усиливают и постоянные, и переменные составляющие входного сигнала.

4. По роду применяемых активных элементов усилители делятся на транзисторные, магнитные, диодные, ламповые, параметрические и др.

В качестве активных элементов в усилителях чаще всего используются полевые или биполярные транзисторы, либо интегральные схемы.

Вообще усилительное устройство можно рассматривать с разных сторон. Поэтому для полной характеристики конкретного усилителя необходимо знание всех его основных характеристик.

 

Структурная схема усилителя

 

Рисунок 1:структурная схема усилителя

1.2 Практическая часть

Исходные данные:

• Rн = 5 кОм

• Ku = 200

• Uпит =Ek = 12 В

• fн.среза усилителя = 1500 Гц

• Uвых = 3,5 В

Усилитель строится на одном каскаде.

Транзистор выбирается исходя из того что:

1) Uкэ max должно быть больше напряжения питания

2) β транзистора должно быть примерно равно 200

По этим критериям выбирается транзистор КТ315Б (аналог 2N3904) с параметрами:

1) максимальный ток коллектора Ik max = 0.2 A;

2) максимальное напряжение коллектор — эмиттер Uкэ max = 20 В;

3) статический коэффициент передачи h21 50…350 . Берем

h21=200;

4) верхний частотный предел fв = 250 МГц.

 

Расчет

Ik max > Ik нас > Ik0

Ik нас = 0,5* Ik max = 0,5*200 мА = 100 мА (1)

Ik0 = 0,5* Ik нас = 0,5*100 мА = 50 мА (2)

По выходным характеристикам транзистора (рис. 2) выбираю рабочую точку: Ik = 22 мА, Uкэ max =5 В

 

Исходя из этого:

Сопротивление коллектора Rk = Ek / Ik = 12/0,022 = 545 Ом (3)

Сопротивление эмиттера Rэ = Rk /(5 15) (4)

Rэ =545/7 = 78 Ом

Ток делителя Iдел = Ek /(R1+R2) (5)

Iдел = 10* Iб0 (6)

Iб0 = Ik /h21 (7)

Ek /(R1+R2) = 10* Ik /h21, тогда (R1+R2) = Ek* h21/(10* Ik0)

Сумма сопротивлений делителя

(R1+R2) = 12*200/(10*0.022) = 10900 Ом

Ток делителя Iдел = Ek /(R1+R2) = 12/10900 = 0,0011 А

R2 = UR2 / Iдел (8)

UR2 = Ik * Rэ + 0,7 (9)

UR2 = 0,022*78+0,7 = 2,4 В

Таким образом, R2 = 2,4 / 0,0011 = 2196 Ом

R1 = 10900 — R2 = 10900 – 2196 = 8704 Ом (10)

 

Расчет ёмкостей

Емкость конденсатора на эмиттере:

Сэ= , (11)

где fн – нижняя частота среза усилителя,

Rэ – сопротивление эмиттера

Сэ = = 136 мкФ

Емкость конденсатора на входе схемы:

Свх , (12)

где Rвх – входное сопротивление усилителя

Rвх R2 (13)

Свх .

Емкость выходного конденсатора:

Свых , где Rн – сопротивление нагрузки (14)

Свых .

 

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению получившегося усилителя:

KU = β* Rвых / Rвх (15)

где:

Rвых – выходное сопротивление каскада, равно сопротивлению коллектора;

Rвх – входное сопротивление каскада;

β – коэффициент передачи по схеме с общим эмиттером.

Рассчитаем входное сопротивление каскада, которое определяется включенными параллельно сопротивлениями делителя напряжения R1-R2 и входным сопротивлением транзистора:

Rвх= Rдел *h11/( Rдел + h11); (16)

где:

Rдел – сопротивление делителя;

h11 = 1 кОм – входное сопротивление транзистора.

Сопротивление делителя получаем по формуле:

Rдел= ; (17)

Rдел=2196 *8704 /(2196 +8704 ) ≈ 1753 Ом

Rвх=1753 *1000/(1753+1000) ≈ 636 Ом

Rвых Rк 545 Ом

тогда по формуле (15):

KU=200*545/636 ≈ 171

Теоретически рассчитано:

• R1 =8704 Ом

• R2 = 2196 Ом

• Rэ = 78 Ом

• Rk = 545 Ом

• Свх = С1 = 0,483 мкФ

• Сэ = С2 = 136 мкФ

• Свых = С4 = 0,150 мкФ

С учетом моделирования и существующих номиналов резисторов получаю:

• R1 =8200 Ом

• R2 = 1690 Ом

• Rk = R3 = 549 Ом

• Rэ = R4 = 84,5 Ом

• Свх = С1 = 750 нФ

• Сэ = С2 = 130 мкФ

• Свых = С4 = 0,150 нФ

Тогда коэффициент усиления усилителя равен:

По формуле (17):

Rдел = 1690*8200/10900 = 1278 Ом

Тогда по формуле (16):

Rвх = 1278*1000/2278 = 548 Ом

KU = 200*549/548 200

Таким образом, получен коэффициент усиления 200, как и требуется по заданию.

Рисунок 3: схема однокаскадного усилителя

Рисунок 4: осциллограмма входного и выходного сигналов

Рисунок 5: АЧХ усилителя на частоте fн

1.3 Выбор элементной базы

Исходя их расчетов и результатов моделирования, выбрана следующая элементная база:

Транзистор:

VT1 КТ315Б;

Конденсаторы:

С1 К10 – 36 – 750нФ ±10%;

С2 К10 – 36 – 130мкФ ±10%;

С4 К10 – 36 – 150нФ ±10%;

Резисторы:

R1 МЛТ – 0,125 – 8.2к ±5%;

R2 МЛТ – 0,125 – 1,7к ±5%;

R3 МЛТ – 0,125 – 549 ±5%;

R4 МЛТ – 0,125 – 84,5 ±5%.

 

2 Источник вторичного питания

2.1 Теоретическая часть

Значительная часть элементов электронных устройств потребляет электрическую энергию в виде постоянного тока. Источниками постоянного тока могут служить гальванические элементы, аккумуляторы, термоэлектрогенераторы, электромашины постоянного тока и выпрямители. Наиболее распространённым источником постоянного тока является выпрямитель – устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Выпрямитель в большинстве случаев состоит из следующих элементов:

силового трансформатора (автотрансформатора), служащего для повышения или понижения напряжения сети до нужной величины;

одного или нескольких вентилей, обладающих односторонней проводимостью тока и выполняющих основную функцию выпрямителя – преобразование переменного тока в постоянный;

сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсацию выпрямленного тока.

Во многих устройствах, где предъявляются повышенные требования к постоянству выпрямленного напряжения, также при значительных колебаниях напряжения сети, в сочетании с выпрямителями применяют стабилизаторы постоянного и переменного напряжения. В схему выпрямителя, кроме этих основных элементов, могут входить различные вспомогательные устройства, предназначенные для регулировки выпрямленного напряжения, включения и выключения выпрямителя, защиты выпрямителя от повреждений при нарушениях нормального режима работы, контрольно-измерительные приборы и др. В настоящее время используются разнообразные типы выпрямителей, которые классифицируются по числу фаз выпрямляемого переменного тока, типу вентилей, схеме их включения и другим показателям.

Для питания различных узлов и блоков электронной аппаратуры наиболее часто применяются выпрямители, рассчитанные на небольшие мощности и работающие от однофазной сети переменного тока. Такие выпрямители называются однофазными. Они делятся на:

1) однополупериодные, в которых ток через вентиль проходит только в течение одного полупериода переменного напряжения сети;

2) двухполупериодные, в которых ток проходит через вентиль в течение обоих полупериодов;

3) схемы с умножением напряжения.

В современных выпрямителях в качестве вентилей чаще всего используются полупроводниковые диоды.

 

2.2 Практическая часть

Схема источника питания представлена на рисунке 7.

Рисунок 6

 

Расчет ведется в следующем порядке:

1. Определяется переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора.

Напряжение на нагрузке должно равняться 12 В, но с учётом падения примерно 3 В на схеме стабилизации, Uн принято равным 15 В.

В качестве выпрямителя была выбрана мостовая схема выпрямления

Для неё U0 – выпрямленное напряжение, равняется:

U0 = U2m *2/π; отсюда

U2m = π* U0 /2 (18)

U2m = 3,14*15/2 = 23,5 В

Напряжение на вторичной обмотке U2 = U2m /√2 = 23,5/1,4 = 16 В

2. По току нагрузки определяется ток через диод

Измеренный ток на нагрузке: Iн = 0,1 А

Тогда:

B = 0,8; С = 2,4

Iд = 0,5* С* Iн, (19)

Iд =0,5*2,4*0,1 = 0,12 А

3. Определяется обратное напряжение диодов:

Uобр = U2m /2 (20)

Uобр = 16,8/2 = 8,4 В

4. Определяю ёмкость конденсатора фильтра

Сф = 3200*Iн / (Uн*Kп) (в мкФ), (21)

где Kп — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).

Из схемы получаю: Kп = 0,1445

Тогда Сф = 3200*0,1/(15*0,14) = 150 мкФ

5. Стабилизация напряжения на нагрузке происходит при помощи ИС LM117.

Нестабильность выходного напряжения:

qвых = 12,294-12,284 = 0,01 В или

0,01/12 = 0,083%, что допускается.

 

Рисунок 7: схема вторичного источника питания

Рисунок 8: входящий и стабилизированный сигналы

 

2.3 Выбор элементной базы

Была выбрана следующая элементная база:

Регулируемый стабилизатор напряжения LM117. Его параметры указаны в табл. 1

Таблица 1

Параметр Условия Значение

Нестабильность по напряжению 3<(Vin-Vout)<40В 0.01 %

Ток управляющего вывода 50 – 100 мкА

Диапазон выходных напряжений 1.2 – 37 В

Нестабильность по току нагрузки 10 мА< Iout < Iout (max) 0.1%

Коэффициент подавления пульсаций Vout=10 В,f=120 Гц 65 дБ

 

Диодный мост КЦ412А с параметрами (см. табл.2)

Таблица 2

Диодный мост Максимальное обратное напряжение, В Максимальный ток, А Падение напряжения на диоде, В

КЦ 412А 50 1 1.2

 

Конденсатор:

С3 К10 — 36 — 150 мкФ ±5%;

Резисторы были выбраны в соответствии со схемой типового включения

ИС LM117.

Трансформатор ТА236 – 220 – 400 с параметрами (табл. 3).

 

Таблица 3

Трансформатор Напряжение на вторичных обмотках, В Ток вторичных обмоток, А

13 — 14

ТА236 — 220 — 400 20 0,17

 

3 Расчет активных фильтров

3.1 Теоретическая часть

Основной характеристикой фильтра является его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), т.е. зависимость модуля коэффициента передачи К или обратной ему величины – затухания α=1/К — от частоты сигнала. Для идеальных фильтров существуют частоты среза, разделяющие области пропускания (α=0) и задерживания (α=1), а затухание фильтра скачкообразно изменяется при переходе от полосы пропускания к полосе задерживания. В реальных фильтрах полосы пропускания и задерживания разделяются переходной зоной, в которой коэффициент затухания изменяется непрерывно от максимально допустимого пропускания (αn) до минимально допустимого в полосе задерживания (αз). Вместо частот среза появляются две граничные частоты: частота среза полосы пропускания (ωп) и частота среза полосы задерживания (ωз). Чем меньше отличаются ωп от ωз , тем выше качество фильтра.

Активные фильтры можно разделить на группы по различным признакам: назначению, полосе пропускаемых частот, типу усилительных элементов, виду обратных связей и др. По полосе пропускаемых частот фильтры делятся на 4 основные группы: нижних частот, верхних частот, полосовые и заграждающие. Фильтры нижних частот пропускают сигналы от постоянного напряжения до некоторой предельной частоты, называемой частотой среза фильтра. Фильтры верхних частот, начиная с частоты среза, и выше. Полосовые фильтры пропускают сигналы в некоторой полосе частот от f1 до f2, а заграждающие фильтры имеют характеристику, противоположную полосовым, и пропускают сигналы с частотой ниже f1 и выше f2. Как полосовые, так и заграждающие фильтры могут иметь гребенчатую частотную характеристику, в которой будет несколько полос пропускания и затухания.

По назначению фильтры делятся на сглаживающие фильтры ИП, заграждающие фильтры помех, фильтры для селективных усилителей низкой и высокой частоты и др.

По типу усилительных элементов можно выделить транзисторные фильтры, фильтры на усилителях с ограниченным усилением, на операционных усилителях, на повторителях напряжения и др. Все рассмотренные фильтры могут иметь одну цепь обратной связи или несколько. В связи с этим различают фильтры с одноконтурной и с многоконтурной обратной связью. Кроме этого, различают фильтры по числу полюсов на частотной характеристике – фильтры первого порядка, второго и более высоких порядков. Фильтры высоких порядков имеют более крутые полосы пропускания и затухания и более плоскую характеристику в области полосы пропускания, что естественно улучшает качество фильтра. К таким фильтрам относятся фильтры Чебышева, Баттерворта, Бесселя и др.

 

3.2 Практическая часть

Исходные данные:

Частота активных фильтров Баттерворта 2 порядка f0=800 Гц

Фильтр нижних частот

Положим С1 =0,5 мкФ, тогда С2 = С1 /4 =0,5 мкФ/4 = 0,125 мкФ

f0 = 0,45/ (R1*С1), тогда (22)

R1 = 0,45/( f0* С1) = 0,45/(800*0,5*10-6 ) = 1125 Ом

R2 = R1/2 = 1125/2 = 562,5 Ом

 

Фильтр высоких частот

Положим С1 = С2 = 0,5 мкФ

С3 = 2* С1 = 2*0,5*10-6 = 1 мкФ

f0 = 0,225/( С1*R2), тогда (23)

R2 = 0,225/( f0* С1) = 0,225/(800*,5*10-6) = 562,5 Ом

R1 = R2 /4 = 562,5/4 = 140,5 Ом

 

Полосовой фильтр

Для начала определим добротность фильтра

Q = f0 /(( f0+50)-( f0-50)) (24)

Q = 800/((800+50)-(800-50)) = 8

Положим С1 = С2 = 0,5 мкФ

f0=0.159*Q/(R1*C1), (25)

тогда R1 = 0.159*Q/(f0 * C1)

R1 = 0,159*8/(800*0,5*10-6) = 1590 Ом

R3 = 2* R1 = 2*1590 = 3180 Ом

R2 = R1*R3/(4*Q2*R1-R3)

R2 = 1590*3180/(4*82*1590-3180) = 12,5 Ом

 

Рисунок 9: схема фильтра нижних частот и АЧХ

Рисунок 10: схема фильтра верхней частоты и его АЧХ

Рисунок 11: схема полосового фильтра и его АЧХ

 

3.3 Выбор элементной базы

 

Для всех фильтров выбрана схема операционного усилителя TL741.

Фильтр низких частот:

Конденсаторы:

С1 К10 – 36 – 499нФ ±10%;

С2 К10 – 36 – 124нФ ±10%;

Резисторы:

R1 МЛТ – 0.125 – 1,13к ±5%;

R2 МЛТ – 0.125 – 1,13к ±5%;

R3 МЛТ – 0.125 – 562 ±5%;

Фильтр верхних частот:

Конденсаторы:

С1 К10 – 36 – 499нФ ±10%;

С2 К10 – 36 – 499нФ ±10%;

С3 К10 – 36 – 1мкФ ±10%;

Резисторы:

R1 МЛТ – 0.125 – 140 ±5%;

R2 МЛТ – 0.125 – 562 ±5%;

Полосовой фильтр:

Конденсаторы:

С1 К10 – 36 – 1мкФ ±10%;

С2 К10 – 36 – 1мкФ ±10%;

Резисторы:

R1 МЛТ – 0.125 – 1.58к ±5%;

R2 МЛТ – 0.125 – 12,1±5%;

R3 МЛТ – 0.125 – 3,16к ±5%

 

Заключение

 

Сделав эту курсовую работу, я ознакомился с основными этапами моделирования электрических цепей, маркировкой и типами радиоэлементов, способами расчетов различных схем, требованиями оформления чертежей. Также я научился работать с научно-технической литературой.

В этой курсовой работе были рассчитаны и смоделированы:

однокаскадный усилитель, источник вторичного питания, активные фильтры Баттерворта 2 порядка (фильтр нижних частот, фильтр высоких частот, полосовой фильтр).

 

Список литературы

 

1) Амелина М. А. Промышленные электронные устройства: Конспект лекций/ -Смоленск: Московский энергетический институт, 2006г. – 72с.,ил

2) Гендин Г.С. Все о резисторах: Справочник – М.: Горячая линия – Телеком, 1999. – 192с.,ил.

3) Гершунский Б.С. Основы электроники. Киев: Издательское объединение «Вища школа»,1977. – 344с.

4) Глудкин О.П., Гуров А.И., Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника. – М.: «Горячая Линия – Телеком», 2000. – 768 с.

5) Горячий Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы. Справочник – М.: «Радио и связь», 1984

6) Егоров Е.Н., Короновский А.А., Храмов А.Е. Активные фильтры. Саратов,: Издательство ГосУНЦ «Колледж»,200. – 14с.

7) Каченюк Т. К., Терехов М. В., Усатенко С. Т. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 325с.

8) Малахов В. П. Схемотехника аналоговых устройств: Учебник для вузов / Одесса: АстроПринт, 2000. – 212с.

9) Морозов А.Г. Электротехника, электроника и импульсная техника. М.: «Высшая школа», 1987. – 448с.: ил.

10) Сидоров И. Н. Малогабаритные трансформаторы и дроссели: Справочник/ — М.: Радио и связь, 1985. – 416с., ил.