Курсовая работа №2345 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»
Содержание
Введение 5
1 Расчет транзисторного усилителя
1.1 Теоретическая часть 6
1.2 Практическая часть 7
1.2.1 Расчет первого каскада усилителя 7
1.2.2 Расчет 3 каскада усилителя 8
1.3 Выбор элементной базы 9
2 Расчет вторичного источника питания 10
2.1 Теоретическая часть 24
2.2 Практическая часть 26
2.3 Выбор элементной базы 29
3 Расчет активных фильтров
3.1 Теоретическая часть 30
3.2 Практическая часть 32
3.3 Выбор элементной базы 36
Список литературы 38
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Внимание!
Это ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ ВЕРСИЯ работы №2345, цена оригинала 500 рублей. Оформлена в программе Microsoft Word.
Оплата. Контакты.
1 Расчет транзисторного усилителя
1.1 Теоретическая часть
Усилитель низких частот (УНЧ) — прибор для усиления электрических колебаний в слышимом человеком диапазоне частот (обычно от 16 до 20 000 Гц). Предварительный усилитель предназначен для повышения напряжения до нужной величины. Усилитель мощности (УМ) должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой являются излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны), радиотрансляционная сеть.
Электронным усилителем называют устройство, обеспечивающее увеличение мощности электрических сигналов, поступающих на его вход. Увеличение мощности сигнала в усилителе происходит за счет преобразования энергии источника питания. Это преобразование осуществляется с помощью активных элементов: электронных усилительных ламп, полевых и биполярных транзисторов и других, которые управляются входными сигналами. Источниками входных сигналов могут быть различные устройства: микрофон, фотоэлемент, пьезоэлемент, термопара, химический источник тока, предыдущий усилитель и т.п.
Сигнал поступает в усилитель через электрическую цепь, которая называется входной или входом усилителя. Электрическая цепь, в которой образуется усиленный сигнал, называется выходной или выходом усилителя. Для выделения усиленного сигнала в выходную цепь включается нагрузка. Нагрузкой может служить резистор, колебательный контур, обмотка трансформатора или электродвигателя, отклоняющая система электронно-лучевой трубки и т. д. Различают нагрузки по постоянному и переменному току.
Нагрузка по постоянному току образуется сопротивлением цепи, по которой протекает постоянная составляющая выходного тока. Сопротивление цепи, по которой протекает переменная составляющая выходного тока,
образует нагрузку по переменному току. Для разделения нагрузок по постоянному и переменному токам применяются разделительные конденсаторы и трансформаторы.
Простейший усилитель (рисунок 1) содержит один активный элемент. Этот элемент с присоединенным к нему пассивными элементами выполняет функцию усиления подаваемого на него электрического сигнала и называется каскадом усиления или усилительным каскадом. Усилитель может состоять из нескольких каскадов усиления, т. е. быть многокаскадным [2].
Рисунок 1
Электронные усилители можно классифицировать по ряду признаков:
По типу используемых активных элементов усилители делятся на ламповые, транзисторные, усилители на интегральных микросхемах и комбинированные;
По роду усиливаемых сигналов различают усилители непрерывных (гармонических) и импульсных сигналов;
По ширине полосы частот усиливаемого сигнала усилители подразделяются на усилители переменного и медленно изменяющегося напряжения. Усилители переменного напряжения в свою очередь делятся на усилители звуковой (низкой) частоты, усилители высокой частоты, широкополосные и узкополосные;
По используемому режиму работы активных элементов различают два класса усилителей: усилители с линейным и нелинейным режимами работы;
По параметру усиливаемого сигнала усилители делятся на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности;
По виду используемых связей усилителя с источником входного сигнала и нагрузкой, а также между отдельными каскадами в многокаскадных усилителях бывают усилители с реостатно-емкостными, трансформаторными и гальваническими связями.
Для объединения усилителей в отдельные самостоятельные группы используются и другие признаки: число каскадов, шумовые свойства, стабильность, динамический диапазон и др [3].
Принцип работы схемы
Схема с общим эммитером (ОЭ), изображенная на рисунке 2, является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.
Рисунок 2
Схема с ОЭ более сложна и менее экономична. Она требует источника Еп, но по стабилизирующим свойствам превосходит остальные схемы.
Рассмотрим назначение элементов схемы и принцип ее работы. Здесь резисторы R1 и R2 образуют делитель для получения напряжения смещения на базе, а резистор Rэ в проводе эммитера является стабилизирующим. Падение напряжения на этом резисторе Uэ=Iэ0*Rэ действует навстречу напряжению U2=Iд*R2. Поэтому напряжение смещения базы Uб-э0=U2-Uэ. Резистор Rэ создает отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току. Если под влиянием температуры токи в транзисторе начнут возрастать, то от повышения тока Iэ0 увеличится напряжение Uэ и соответственно уменьшится напряжение смещения на базе Uб-э0, а это вызовет уменьшение токов. В результате такого изменения одновременно в противоположные стороны токи почти постоянны и режим получается более стабильным.
Для того чтобы резистор Rэ не создавал ООС по переменному току, он зашунтирован конденсатором Cэ достаточно большой емкости. Его сопротивление для самой низкой частоты должно быть во много раз меньше Rэ. Обычно конденсатор Сэ электролитический емкостью в десятки микрофарад (в каскадах усиления низкой частоты). В цепь коллектора транзистора включено сопротивление Rк, которое задает ток коллектора Iк0. Эммитерная стабилизация работает хорошо, независимо от сопротивления Rк, причем тем лучше, чем больше ток делителя Iд и сопротивление резистора Rэ. Но так как Uэ является частью Еп, то чрезмерное увеличение Rэ приводит к необходимости значительного повышения Еп, что невыгодно.
Достоинства схемы с ОЭ — удобство питания её от одного источника, поскольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.
Недостатки данной схемы — худшие по сравнению со схемой с общей базой (ОБ) частотные и температурные свойства. С повышением частоты усиления в схеме с ОЭ снижается в значительно большей степени, нежели в схеме с ОБ. Режим работы схемы ОЭ сильно зависит от температуры [4].
1.2 Практическая часть
Исходные данные:
• U питания усилителя = 27В
• Коэффициент усиления К=1300
• U выхода усилителя = 7В
• R нагрузки = 100 Ом
• f н. среза усилителя = 6 кГц
Исходя из исходных данных, я строю трехкаскадный усилитель с выходным каскадом – усилителем мощности потому что:
1) Коэффициент усиления К=1300 невозможно реализовать на одном каскаде, поэтому берется 2 каскада;
2) Низкоомная нагрузка не может быть непосредственно подключена к высокоомному выходу второго каскада
Всего с первых двух каскадов нужно получить К=1300, соответственно коэффициент усиления 1 и идентичного ему 2 каскада К1 = К2 = √1300 36.
1.2.1 Расчет первого каскада усилителя
При выборе транзистора ключевое значение имеют параметры:
• Максимальное напряжение U кэ max транзистора должно
быть больше напряжения питания;
• Статический коэффициент передачи β;
• Максимальный ток коллектора I k max
В соответствии с этими условиями, для первого усилительного каскада я выбрал транзистор КТ340В с параметрами:
• U кэ max = 40В;
• Статический коэффициент передачи по току базы h21 >25
(h21 = β);
• Верхний частотный предел fв = 250 МГц;
• максимальная рассеиваемая мощность транзистора P МАХ = 300 мВт;
• I k max = 100 мА
Ток коллектора насыщения I k нас = 0,7* I k max (1)
I k нас = 0,7*100 = 70 мА
I k0 = 0,8* I k нас (2)
I k0 = 0,8*70 = 56 мА
Сопротивление коллектора определяется по формуле:
Rk = U пит / I k0 (3)
Rk = 27 / 0.056 = 500 Ом
Сопротивление коллектора Rk = 3 4*Rэ (4)
Тогда сопротивление эмиттера Rэ = Rk /(3 4) = 500/4 = 120 Ом
Ток делителя I дел = 10* I б0 = 10* I k0 /h21 (5)
где h21=25 -статический коэффициент передачи
I дел = 10*0,056 / 25 28 мА
Сопротивление резисторов делителя Rдел = R1 + R2 (6)
Rдел = U пит / I дел (7)
Rдел = 27/0,028 = 964 Ом
Сопротивление R2 = UR2 / I дел (8)
UR2 = I k0 * Rэ + Uсм , где Uсм = 0,7В (9)
UR2 = 0,056*120 + 0,7 = 7,42В
Тогда по формуле (7) R2 = 7,42/0,028 = 265 Ом
Согласно (6), R1 = 964 – 265 = 699 Ом
Входная ёмкость С1 = , где RВХ = R2 = 265 Ом (10)
С1 = 100/(2*π*6000*265) = 10 мкФ
Конденсатор на эмиттере С2 = , (11)
где Rэ- сопротивление эмиттера
С2 = 100/(2*π*6000*120) = 22 мкФ
Ёмкость выхода С4 = , (12)
в данном случае в качестве Rвых выступает сопротивление нагрузки
С4 = 100/(2*π*6000*2000) = 1,32 мкФ
Схема усилительного каскада представлена на рисунке 1
Номиналы элементов на схеме могут отличаться от рассчитанных теоретически.
Рисунок 1 – Схема первого усилительного каскада
Рисунок 2 – Осциллограмма входного и выходного сигналов
Коэффициент усиления каскада Кu = Uвых / Uвх (13)
Кu = 766/5,5 = 139 140
Коэффициент усиления получился много больше расчетного, поэтому для двухкаскадного усилителя между каскадами я поставил добавочное сопротивление, которое считается по формуле:
Ku=β*(Rвых+Rдоб)/(Rвх+Rдоб) (14)
Rдоб = 1 кОм
Рисунок 3 – Схема двухкаскадного усилителя
1.2.2 Расчет 3 каскада
Для 3 каскада усилителя я выбрал транзистор КТ375А. Для моделирования использовался его аналог 2N3904.
Рисунок 3 – Схема третьего каскада усилителя
Для расчета номинала резистора R12 воспользуемся формулой:
R12 = (Епит-Iэ0*R14-Uб-э0)/Iб0, (15)
где R13 Rн
R12 = 8,06 кОм
Емкость С8 рассчитывается по формуле:
С8 = (16)
С8 = 60/(6,28*6000*100) = 15 мкФ
Рисунок 4 – Схема трехкаскадного усилителя
Рисунок 5 – Осциллограмма трехкаскадного усилителя
Рисунок 6 – АЧХ трехкаскадного усилителя на частоте среза
Рисунок 7 – АЧХ коэффициента усиления усилителя
1.3 Выбор элементной базы
Транзисторы:
VT1,VT2 КТ340B;
VT3 КТ375А;
Конденсаторы:
С1 К10 – 36 – 10мкФ ±10%;
С2 К10 – 36 – 22мкФ ±10%
С4 К10 – 36 – 500нФ ±10%;
С5 К10 – 36 – 1мкФ ±10%;
С6 К10 – 36 – 22мкФ ±10%;
С8 К10 – 36 – 15мкФ ±10%;
Резисторы:
R1 МЛТ – 0,125 – 825 ±5%;
R2 МЛТ – 0,125 – 130 ±5%
R3 МЛТ – 0,125 – 499 ±5%;
R4 МЛТ – 0,125 – 120 ±5%;
R5 МЛТ – 0,125 – 1к ±5%;
R6 МЛТ – 0,125 – 825 ±5%;
R7 МЛТ – 0,125 – 130 ±5%;
R8 МЛТ – 0,125 – 499 ±5%;
R9 МЛТ – 0,125 – 120 ±5%;
R12 МЛТ – 0,125 – 8к ±5%;
R13 МЛТ – 0,125 – 120 ±5%;
2.2 Практическая часть
Нужно построить источник питания с параметрами:
• напряжением на нагрузке 27В;
• минимальный ток нагрузки Iн = 0,4 А;
В соответствии с этими условиями, я выбрал схему стабилизации 142ЕН11 с параметрами (см. табл. 1).
Таблица 1
Стабилизатор Коэффициент подавления пульсаций, дБ Разность напряжений вход/выход, В Опорное напряжение, В Нестабильность по току и напряжению, %
142ЕН11 74 3< (Uвых –Uвх) 7.15 0,01
Предположим, что на стабилизаторе напряжения падает 3В. Тогда напряжение U0 на выходе выпрямителя должно равняться 30В. Выпрямителем является мостовая схема выпрямления КЦ412А, её параметры указаны в табл.2
Таблица 2
Диодный мост Максимальное обратное напряжение, В Максимальный ток, А Падение напряжения на диоде, В
КЦ 412А 50 1 1.2
Определим ток для диодов мостовой схемы.
Ток через каждый диод Iд = 0,5*С*Iн , (17)
где С = 2 – коэффициент, зависящий от тока нагрузки
Iд = 0,5*2*0,4 = 0,4 А
Напряжение U2m = 1,9*Uн , (18)
где 1,9 – коэффициент, выбранный исходя из тока нагрузки
U2m = 1,9*30 = 57В
Рассчитаем обратное напряжение для диодов мостовой схемы:
Uобр = U2m /2 = 57/2 = 28,5В
Полученное значение обратного напряжения меньше предельных значений для выбранной мостовой схемы, что подтверждает правильность её выбора.
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора U2 = U2m /√2 (19)
U2 = 57/1,4 = 40В
В соответствии со значением тока и напряжения на вторичной обмотке и с учётом существующих элементов был выбран трансформатор ТА288–127/220–50 с параметрами:
Таблица 3
Трансформатор Напряжение на вторичных обмотках, В Ток вторичных обмоток, А
21 – 22
ТА288–127/220–50 40 0,44
Определяю ёмкость конденсатора фильтра:
Сф = 3200*Iн / (Uн*Kп), (20)
где Kп =0,67– коэффициент пульсаций на выходе мостовой схемы;
а значение ёмкости получается в мкФ.
Сф = 3200*0,4/(30*0,67) = 64 мкФ
Рисунок 8 – Схема вторичного источника питания
Рисунок 9 – Осциллограмма сигнала нагрузки
2.3 Выбор элементной базы
Была выбрана элементная база:
Стабилизатор напряжения 142ЕН11 ( параметры в табл.1)
Диодный мост КЦ412А с параметрами (см. табл.2)
Конденсаторы:
С3 К10 — 36 – 63.4 мкФ ±5%;
С7 К10 — 36 — 100 пФ ±5%;
Трансформатор:
ТА288–127/220–50 (параметры в табл.3)
Номиналы резисторов R10, R11 обусловлены схемой включения 142ЕН11.
3.2 Практическая часть
Нужно рассчитать активные фильтры Баттерворта 2 порядка с исходными данными: частота f0=1700 Гц.
Фильтр нижних частот
Положим С1 =4 мкФ.
Тогда С2 = С1 /4 =4 мкФ/4 = 1 мкФ
f0 = 0,45/ (R1*С1), (21)
Из (21) следует, что R1 = 0,45/( f0* С1) = 0,45/(1700*4*10-6 ) = 66,1 Ом
R2 = R1/2 = 66,1/2 = 33 Ом
R3 = R1 = 66,1 Ом
Рисунок 10 – Схема фильтра нижних частот
Рисунок 11 – АЧХ фильтра нижних частот на частоте среза
Фильтр верхних частот
Положим С1 = С2 = 5 мкФ
С3 = 2* С1 = 2*5*10-6 = 10 мкФ
f0 = 0,225/( С1*R2), (22)
Из (23) следует, что R2 = 0,225/( f0* С1) = 0,225/(1700*5*10-6) = 26,5 Ом
R1 = R2 /4 = 26,5/4 = 6,61 Ом
Рисунок 12 – Схема фильтра верхних частот
Рисунок 13 – АЧХ фильтра верхних частот на частоте среза
Полосовой фильтр
Для начала определяю добротность фильтра:
Q = f0 /(( f0+50)-( f0-50)) (24)
Q = 1700/((1700+50)-(1700-50)) = 17
Положим С1 = С2 = 9 мкФ
f0=0.159*Q/(R1*C1), (25)
тогда R1 = 0.159*Q/(f0 * C1)
R1 = 0,159*17/(1700*9*10-6) = 176,6 Ом
R3 = 2* R1 = 2*176,6 = 353 Ом
R2 = R1*R3/(4*Q2*R1-R3)
R2 = 176,6*353/(4*172*176,6-353) = 0,306 Ом
Рисунок 14 – Схема полосового фильтра
Рисунок 15 – АЧХ полосового фильтра
3.3 Выбор элементной базы
Для всех фильтров выбрана схема ОУ TL741
Фильтр нижних частот:
Конденсаторы:
С1 К10 – 36 – 4мкФ ±10%;
С2 К10 – 36 – 1мкФ ±10%;
Резисторы:
R1 МЛТ – 0.125 – 66,5 ±5%;
R2 МЛТ – 0.125 – 33 ±5%;
R3 МЛТ – 0.125 – 66,5 ±5%;
Фильтр верхних частот:
Конденсаторы:
С1 К10 – 36 – 4,99мкФ ±10%;
С2 К10 – 36 – 4,99мкФ ±10%;
С3 К10 – 36 – 10мкФ ±10%;
Резисторы:
R1 МЛТ – 0.125 – 6,65 ±5%;
R2 МЛТ – 0.125 – 26,7 ±5%;
Полосовой фильтр:
Конденсаторы:
С1 К10 – 36 – 9,09мкФ ±10%;
С2 К10 – 36 – 9,09мкФ ±10%;
Резисторы:
R1 МЛТ – 0.125 – 178 ±5%;
R2 МЛТ – 0.125 –0,309 ±5%;
R3 МЛТ – 0.125 – 357 ±5%
Заключение
Сделав курсовую работу, я разработал и смоделировал электрические цепи электронного устройства. Ознакомился с основными этапами моделирования электрических цепей, углубил знания методов расчета электрических цепей, познакомился с элементной базой электронных цепей и принципами работы с ней, получил навыки поиска научно-технической литературы .
В результате курсового проекта был рассчитан и смоделирован усилитель на биполярных транзисторах, рассчитан и смоделирован вторичный источник питания, рассчитаны и смоделированы фильтры нижних, верхних частот и полосовой фильтр.
Список литературы
1) Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – М.: «Горячая Линия – Телеком», 2000. – 768 с.
2) Малахов В. П. Схемотехника аналоговых устройств: Учебник для вузов / Одесса: АстроПринт, 2000. – 212с.
3) Амелина М. А. Промышленные электронные устройства: Конспект лекций/ -Смоленск: Московский энергетический институт, 2006г. – 72с.,ил
4) Егоров Е.Н., Короновский А.А., Храмов А.Е. Активные фильтры. Саратов,: Издательство ГосУНЦ «Колледж»,200. – 14с.
5) Гендин Г.С. Все о резисторах: Справочник – М.: Горячая линия – Телеком, 1999. – 192с.,ил.
6) Сидоров И. Н. Малогабаритные трансформаторы и дроссели: Справочник/ — М.: Радио и связь, 1985. – 416с., ил.
7) Усатенко С. Т., Каченюк Т. К., Терехов М. В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 325с.
8) Конденсаторы. Справочник/Под редакцией Горячего Г.А., Добромыслова Е.Р. – М.: «Радио и связь», 1984